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![KLAVIer oDer TorTe? A B sischen Partysituation auch aus: Stimmen un-
enhancinG by Global Winner-take-all inhibitory interactionS. in: ploS one 3, e1735, fiG. 1 [M]
Im Hörkortex von rennmäusen terschiedlicher Sprecher kommen aus verschie-
Mit frdl. Gen. von holGer Schulze; auS: kurt, S. et al.: auditory cortical contraSt
gibt es so genannte tonotope denen Richtungen und lassen sich so voneinan-
Karten (A). Benachbarte Areale der trennen (siehe Kasten S. 64).
(hier jeweils unterschiedlich Das Cocktailparty-Phänomen funktioniert
0,5 mm
eingefärbt) reagieren auf Töne aber nicht nur in Stereo. So sind wir auch in der
mit angrenzenden Frequenz Lage, etwa die Stimmen mehrerer Sänger zu
lokale Inhibition globale Inhibition
bereichen. ein Neuron eines trennen, selbst wenn sie von einer Aufnahme
Abschnitts (mittlere Kugel in C) stammen, die in Mono (also mit nur einem Mi-
C D
kann immer nur Zellen im krofon) aufgenommen wurde, oder wenn das
Nachbarareal hemmen (rot). Abspielgerät nur über einen einzigen Laut-
Das verstärkt den Kontrast sprecher verfügt. Noch extremer ist die Situa-
zwischen benachbarten tion am Telefon: Hier müssen wir uns nicht nur
Frequenzbereichen. Zudem mit einer einzelnen Schallquelle begnügen, wir
existieren zyklische Karten, können auch ausschließlich mit einem Ohr
deren Abschnitte radial ange lauschen. Dennoch vermögen wir verschiedene
ordnet sind (B). Bereiche, die Tatsächlich ist die Aufgabe, die Worte eines Stimmen auseinanderzuhalten, wenn etwa die
ähnliche Periodizitäten kodie einzelnen Sprechers aus einem Stimmengewirr Kinder der Freundin in die Muschel quaken
ren, liegen wie Tortenstücke herauszuhören, alles andere als trivial. Das oder der Partner im Hintergrund einen Einwurf
nebeneinander. Hierbei kann Gehirn wertet dazu eine Fülle von Schallpara- macht.
ein Neuron eines Abschnitts metern gleichzeitig aus und vergleicht sie mit Offenbar ist das Hörsystem in der Lage, ne-
(graue Kugel in D) Nervenzellen Erfahrungswerten. Zudem muss das Ganze in ben der Richtung noch weitere Eigenschaften
in allen anderen Arealen Echtzeit erfolgen: Einen zweiten Versuch gibt es des Schalls auszuwerten, um verschiedene Quel-
hemmen (blau) – was störge in der Regel nicht – man kann nicht nochmals len voneinander zu trennen. Mehr noch: Die
räusche ausblendet. »hinhören«, so wie man vielleicht einen zwei- räumliche Information eignet sich vor allem
ten Blick auf ein Bild werfen würde, das vor De- dazu, den Ursprung eines Gesprächs zu lokali-
tails nur so wimmelt. Um diesen Anforderungen sieren. Um die Worte, die ans Ohr dringen, ein-
gerecht zu werden, nutzt unser Denkorgan eine zelnen Sprechern zuzuordnen, nutzt das Gehirn
ganze Reihe neuronaler Tricks und stößt dabei noch andere Mechanismen.
mitunter an seine Leistungsgrenze. Kein Wun- Tatsächlich scheint unser Denkorgan die Ei-
der also, dass wir ein nachlassendes Gehör – genschaften des akustischen Signals selbst zu
sei es altersbedingt oder durch Schädigungen erkennen und auszuwerten. Von dieser Annah-
verursacht – in der Regel zuerst im akustischen me ausgehend entwickelte der Psychologe Al
Au f ei n en B l ic k Tohuwabohu bemerken. Bregman von der McGill University in Montreal
(Kanada) im Jahr 1990 das Konzept der Hörob-
Hingehört! Eine Frage der Aufmerksamkeit jekte. Es lässt sich am besten in Analogie zum
1 Selbst wenn viele Wie aber schafft es das Gehirn, aus dem Klang- Sehsinn erklären: Ein Objekt ist ein »Ding«, das
Menschen laut durch- teppich durcheinanderquasselnder Stimmen wir sehen und so von anderen Dingen unter-
einanderreden, können die richtige Information herauszufiltern? Mit scheiden können. Entsprechend meint der Be-
wir uns auf eine einzelne dieser Frage beschäftigen sich Wissenschaftler griff Hörobjekt eine akustische Wahrnehmung,
Stimme konzentrieren. seit mehr als 50 Jahren. Colin Cherry, der Entde- die sich genau identifizieren lässt. Das kann
cker des Cocktailparty-Phänomens, stellte fest: zum Beispiel der reine, isolierte Ton einer Tür-
2 Diesen so genannten
Cocktailparty-Effekt
ermöglichen neuronale
Hört ein Proband gleichzeitig zwei verschiedene
Sprachsignale, so versteht er inhaltlich nur das,
glocke sein, aber auch etwas so Komplexes wie
ein gesprochener, zusammenhängender Text.
worauf er seine Aufmerksamkeit richtet. Das Laut Bregmans Theorie – mittlerweile durch
Hemmmechanismen im
zweite ignoriert er weit gehend. Während man zahlreiche Experimente untermauert – erkennt
Hörkortex.
den Erzählungen seines Gesprächspartners unser Gehirn verschiedene Hörobjekte auf
3 Das System ist jedoch
anfällig für Störun-
gen. Deshalb machen sich
folgt, plätschern die Worte des Nachbarn quasi
an einem vorbei.
Der britische Wissenschaftler vermutete, dass
Grund ihrer physikalischen Eigenschaften: Aus
welchen Frequenzen setzt sich der Schall zu-
sammen? Wie laut ist er, und mit welcher Ge-
alters- oder krankheits- das Gehirn im Wesentlichen die Richtung ana- schwindigkeit schwillt die Lautstärke an und
bedingte Hörschäden lysiert, aus der das akustische Signal kommt. wieder ab (siehe Grafiken rechts)?
besonders in lauter Umge- Stammen die Worte vom Gegenüber oder drin- Gerade Sprachsignale verfügen über eine
bung bemerkbar. gen sie vom Nebentisch ans Ohr? Tatsächlich Reihe ganz charakteristischer Eigenschaften, die
nutzt unser Denkorgan diesen Effekt in der klas- das Gehirn hierbei nutzen kann. Eine tiefe Män-
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[SDW][2011.08]
Das Dokument behandelt die Fukushima-Katastrophe und die daraus resultierenden Konsequenzen für die Atomenergiepolitik in Deutschland, insbesondere den beschlossenen Ausstieg bis 2022. Weitere Themen umfassen aktuelle wissenschaftliche Fortschritte in der Malariaforschung und die Diskussion über die Kosmologie, insbesondere die kosmische Inflation. Experten analysieren den Unfall von Fukushima und reflektieren über die Rolle von Emotionen und politischen Taktiken in der öffentlichen Diskussion über Kernkraft.
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[SDW][2011.08]
- 2. FUKUSHIM A Was genau geschah: Chronik einer Katastrophe AUGUST 2011 M AL ARIA PHILOSOPHIE EUROPE AN XFEL Neue Strategien gegen Braucht das Denken Hamburg erhält einen die tödliche Seuche die Sprache? Röntgenlaser der Superlative 8/11 Kosmische Inflation Ein Grundpfeiler der Urknall- theorie gerät ins Wanken 7,90 € (D/A) · 8,50 € (L) · 14,– sFr. D6179E www.spektrum.de
- 3. Editorial Hartwig Hanser Redaktionsleiter hanser@spektrum.com Autoren in diesem Heft Ausstieg aus der Unsachlichkeit A m 30. Juni beschloss der Deutsche Bundestag unter dem Eindruck der Katastrophe von Fukushima den Ausstieg aus der Atomenergie bis 2022. Nun kann man zu der grundsätz- lichen Frage, ob zur Sicherung der Energieversorgung Kernkraft genutzt werden sollte oder unter Astrophysikern gilt die »kosmische inflation« als allge- mein anerkannt. doch es gibt nicht, verschiedene Positionen einnehmen – Befürworter wie Gegner haben bedenkenswerte auch handfeste Gründe, die Argumente anzubieten. Lässt man jedoch die Entwicklung seit dem 11. März 2011 Revue pas- gegen diese theorie sprechen. sieren, beschleichen einen ernsthafte Zweifel, ob Sachargumente in dieser Diskussion die der Physiker Paul J. Steinhardt, wichtigste Rolle gespielt haben. Eher drängt sich der Eindruck auf, dass politisch-taktische direktor des Princeton Center und emotionale Aspekte den Diskurs dominierten. Doch sollten auf dieser Basis wirklich Ent- for theoretical science an der scheidungen von derartiger Tragweite gefällt werden? Ich bin überzeugt: Auch auf einer wis- Princeton university im us-Bun- senschaftlich fundierten Basis hätte man bei entsprechendem Willen einen Ausstieg be- desstaat new Jersey, stellt sie schließen können – was ihm womöglich eine weitaus dauerhaftere Legitimation und auch ab s. 40 vor. Akzeptanz in der Gesamtbevölkerung verschafft hätte. In diesem Sinn präsentiert unser Artikel ab S. 76 die Fakten. Vier Experten für Nuklear- sicherheit und Reaktortechnik, darunter Joachim Knebel, Chief Science Officer am Karlsru- her Institut für Technologie (KIT), analysieren minutiös den Unfallhergang in Japan. Außer- dem geht der französische Biophysiker Pierre Henry vom CNRS ab S. 68 der Frage nach, war- um mit einem derart starken Beben wie am 11. März kaum gerechnet wurde – wo solche doch in der Geschichte Japans immer wieder vorkamen. Pierre Henry ist Geophysiker am französischen Zentrum für Erdbeben und Tsunami haben in Japan mehr als 20 000 Todesopfer gefordert. An Malaria wissenschaftliche forschung sterben jedes Jahr rund eine Million Menschen, etwa die Hälfte von ihnen Kinder unter fünf (Cnrs). Ab s. 68 geht er den Jahren. Schon seit Jahrzehnten versuchen Forscher, einen wirksamen Impfstoff gegen die ursachen des schweren erd- Seuche zu entwickeln, bislang ohne Erfolg. Jetzt gibt es einen neuen, viel versprechenden An- bebens vom 11. märz in Japan lauf, der ein so genanntes Adjuvans nutzt – einen Impfstoffverstärker. Damit besteht offen- auf den Grund. bar eine realistische Chance, in wenigen Jahren Säuglinge in Afrika großflächig mit einer Vak- zine zu impfen, die dann zumindest jedes zweite Kind vor der Krankheit schützt (S. 24). Daneben verfolgen Wissenschaftler andere, auf den ersten Blick oft verblüffende Strate- gien: So immunisiert Rhoel Dinglasan von der Johns Hopkins University in Baltimore nicht die Menschen, sondern die Anopheles-Mücken, die den Malariaerreger beim Blutsaugen an ihre Opfer weitergeben. Forscher von der Yale University wiederum konzentrieren sich auf die hochselektiven Riechrezeptoren der Moskitos. Sie suchen nach Stoffen, die ganz spezi- den Geruchssinn von stech- fisch deren Funktion beeinflussen, um sie dann als Lockmittel für Fallen, zur Abschreckung mücken haben John R. Carlson der Insekten oder zu ihrer Irritation einzusetzen (S. 34). Derart vielschichtige Forschung ist und Allison F. Carey von der Yale wichtig: Um die Malaria eines Tages wirklich besiegen zu können, wird vermutlich ein ganzes university im Visier – speziell Bündel solcher Maßnahmen nötig sein. jenen der Anopheles-moskitos, welche den gefährlichen malaria- Herzlich Ihr erreger übertragen (ab s. 34). sie fanden heraus, dass einige wenige riechrezeptoren der mücken hochselektiv mensch- liche Gerüche registrieren. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUgUST 2011 3
- 4. inhalt 24 Tropenseuche Malaria 56 Sprache und Denken 86 Röntgenlaser der Superlative 76 Fukushima-Katastrophe biologie & medizin Physik & astronomie mensch & kultur TITELThEma r 24 Neue Waffen gegen Malaria r 40 osmische Inflation K ary Carmichael M auf dem Prüfstand serie PhilosoPhie Rund eine Million Menschen tötet Paul J. Steinhardt r 56 prache und Denken S der Malariaerreger jedes Jahr. Was geschah direkt nach dem Gottfried Vosgerau Endlich geben neue Impfstoffe Urknall? Das Inflationsszenario Ist Denken immer ein innerer Anlass zu Hoffnung. Daneben beruht auf derart willkürlichen Monolog, oder kommt es auch erproben Mediziner auch unge Annahmen, dass einige Forscher ohne Wörter aus? wöhnliche Strategien gegen die jetzt nach Alternativen suchen Tropenseuche – etwa das Immuni 62 en anderen verstehen D sieren der krankheitsübertragen Physikalische UnterhaltUngen Albert Newen, Kai Vogeley den Moskitos 50 alendergeschichten K Was passiert, wenn wir uns in Norbert Treitz unsere Mitmenschen hinein 34 er Duft der Menschen D Wodurch genau entstehen die fühlen oder denken? Eine neue John R. Carlson, Allison F. Carey Jahreszeiten, und wozu braucht Theorie soll diese Frage beant Forscher haben jetzt jene Riech man eigentlich Zeitzonen? worten rezeptoren von Stechmücken identifiziert, die selektiv auf schlichting! menschlichen Schweiß reagieren – 54 paziergang am Meer S Titelmotiv: iStockphoto / Dominic Current, ein weiterer neuer Ansatzpunkt H. Joachim Schlichting iStockphoto / Vladimir Nikitin, für die Malariabekämpfung Weil sich Wasser gern um Sandkör Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft ner legt, läuft man am Strand die auf der titelseite angekündigten oft wie auf einem befestigten Weg themen sind mit r gekennzeichnet 4 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 5. sPektrogramm 8 Quarks in ungesehener Eintracht • Weibchen auf Wanderschaft • Wurm lebt einen Kilometer tief unter der Erde • Warum Rauchen schlank hält • Die Quelle der Eisfontänen auf Enceladus • End ose Nanodrähte aus l dem Ofen bild des monats 11 iologische Schraube B forschung aktuell 12 Planet der Phagen Welche Rolle spielen Bakterio phagen in der Natur? 40 14 Großes Sterben durch große Brände Vulkanismus als Ursache von TITELThEma Massen xtinktion bestätigt e Kosmische Inflation 16 Spinblockade in Solarzellen Grund für geringen Wirkungsgrad von Plastiksolarzellen aufgedeckt 20 as politische Gehirn D Ob konservativ oder liberal, lässt sich erde umwelt technik comPuter an der Hirnstruktur vorher agen s 21 Springers Einwürfe Wasser entmystifiziert 68 as Megabeben in Japan D r 86 anowelt im Röntgenlicht N Pierre Henry Gerhard Samulat Seismologische Untersuchungen Bei Hamburg entsteht der über weitere rubriken schlossen ein Erdbeben der drei Kilometer lange Röntgenlaser 3 Editorial Stärke 9 in der Region Fukushima European XFEL. Er wird die For 6 Leserbriefe /Impressum so gut wie aus. Im Nachhinein schung an Biomolekülen und zeigt sich, welche Warnzeichen die Katalysatoren beschleunigen und 95 ezensionen R Experten übersehen haben und LiveEinblicke ins molekulare Stephen Hawking, Leonard welchen Trugschlüssen sie aufge Geschehen erlauben Mlodinow: Der große Entwurf sessen sind Gerhard Schurz: interview Evolution in Natur und Kultur r 76 ukushima F 92 ukunftsbaustelle Z David P. Barash, Judith Lipton: Wie auch in Deutschland? Photonenfabrik die Frauen zu ihren Kurven kamen Bernhard Kuczera, Ludger Mohrbach, Welche Chancen eröffnet die Daniel Lingenhöhl: Walter Tromm, Joachim Knebel Umwandlung eines Beschleu Vogelwelt im Wandel Was genau geschah in den Tagen niger entrums in eine »Fabrik« z Klaus Michael Meyer-Abich: nach dem 11. März im Kernkraft für Synchrotronstrahlung? Was es bedeutet, gesund zu sein werk FukushimaDaiichi, und »Spektrum« sprach mit DESYChef Duncan Jones: Moon (Film) u. a. inwiefern könnten sich die Ereig Helmut Dosch 104 issenschaft im Rückblick W nisse in Deutschland wiederholen? Vom Panamakanal zur Glasfaser Die Chronik einer Katastrophe 105 xponat des Monats E Oskar Salas Mixturtrautonium WWW.SPEKTRUM.DE 106 Vorschau 5
- 6. leserbriefe Der Large Hadron Collider am CERN in Genf rum wir bei der Anwendung der alther- ANTONIO SABA / CERN ist eines jener Großgeräte, mit denen gebrachten Mathematik zur Lösung der Wissenschaftler den grundlegenden Fragen offenen Probleme der Physik im Sinn der Natur nachspüren. des Artikels von Gerhard Börner in ei- ner Sackgasse stecken. dabei wahrscheinlich exponentiell. Ob wir nun Gravitationswellen-Detektoren Spirituelle Komponente errichten, die bislang keine Gravita- in Platons Staat tionswellen nachweisen können, oder Der Philosoph Julian Nida-Rümelin mit riesigen Teilchenbeschleunigern legte dar, welche Rolle der Gerechtig- das theoretisch vorhergesagte Higgs- keitssinn für den Einzelnen und die Boson suchen sollen, das aber ebenfalls Gemeinschaft spielt. (»Was ist gerecht?«, unter Umständen gar nicht existiert – Juli 2011, S. 62) immer hat man den Eindruck, dass die Diskussion in der Mathematik zwi- Martin Peschaut, St. Stefan ob Stainz Wissenschaft muss Wi- schen Hilbert und Gödel zur Frage der (Österreich): Die modernen Spekula- dersprüche minimieren widerspruchsfreien Mathematik (und tionen (ich kann sie nur als solche be- Warum Forscher trotz enormer An- damit einer widerspruchsfreien Theo- zeichnen) über Gerechtigkeit sind zwar strengungen fundamentale Fragen rie über die Welt) doch nicht so ganz theoretisch brillant, scheitern aber, um nicht beantworten können, fragte der ernst genommen wird. Paul Watzlawick zu bemühen, an der Astrophysiker Gerhard Börner. (»Natur- Die Kunst der Wissenschaft ist es »normativen Kraft des Faktischen«: Ei- wissenschaft in der Sackgasse?«, Juni also wahrscheinlich, diese Widersprü- ne repräsentative Demokratie moder- 2011, S. 66) che zu minimieren; ausräumbar oder ner Prägung kann nicht gerecht sein, vermeidbar sind sie aber grundsätzlich weil die Repräsentanten vor allem ihren Peter Klamser, Egeln: Der Autor zeigt nicht. Wir messen so viel, dass aus den eigenen Vorteil und den ihrer Verbün- die wesentlichen Probleme der heutigen vielen Daten keine hinreichend einfa- deten im Auge haben. Das kann man naturwissenschaftlichen Forschung auf, che, sondern eine beliebig komplexe schönreden und rational übertünchen, die zu dem Ergebnis führen, dass mit Theorie entsteht, die genau genommen wie man will, letztlich entscheiden immer höherem Aufwand immer »klei- nur im Stande ist, den gemessenen Ein- handfeste materielle Vorteile und die nere« oder unter Umständen gar keine zelfall zu beschreiben. Zumindest könn- Quantität der einsetzbaren Druckmittel Ergebnisse erzielt werden. Die Kosten ten solche fundamentalen Grenzen wie darüber, was gerecht ist: nämlich das, pro Einheit Erkenntnisgewinn steigen die Planck-Länge der Grund sein, wa- was der Stärkere als gerecht festsetzt. Vertrieb und Abonnementverwaltung: Sämtliche Nutzungsrechte an dem vorliegenden Werk liegen Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, c/o ZENIT bei der Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH. Pressevertrieb GmbH, Postfach 81 06 80, 70523 Stuttgart, Tel. Jegliche Nutzung des Werks, insbesondere die Vervielfältigung, 0711 7252-192, Fax 0711 7252-366, E-Mail: spektrum@zenit-presse. Verbreitung, öffentliche Wiedergabe oder öffentliche Zugäng- de, Vertretungsberechtigter: Uwe Bronn lichmachung, ist ohne die vorherige schriftliche Einwilligung Chefredakteur: Dr. Carsten Könneker (v.i.S.d.P.) Bezugspreise: Einzelheft € 7,90 (D/A)/ € 8,50 (L)/sFr. 14,–; des Verlags unzulässig. Jegliche unautorisierte Nutzung Redaktionsleiter: Dr. Hartwig Hanser (Monatshefte), im Abonnement € 84,00 für 12 Hefte; für Studenten (gegen des Werks berechtigt den Verlag zum Schadensersatz gegen Dr. Gerhard Trageser (Sonderhefte) Studiennachweis) € 69,90. Die Preise beinhalten € 8,40 den oder die jeweiligen Nutzer. Bei jeder autorisierten (oder Redaktion: Thilo Körkel (Online-Koordinator), gesetzlich gestatteten) Nutzung des Werks ist die folgende Versandkosten. Bei Versand ins Ausland fallen € 8,40 Dr. Klaus-Dieter Linsmeier, Dr. Jan Osterkamp (Spektrogramm), Quellenangabe an branchenüblicher Stelle vorzunehmen: Portomehrkosten an. Zahlung sofort nach Rechungserhalt. Dr. Christoph Pöppe, Dr. Adelheid Stahnke © 2011 (Autor), Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft E-Mail: redaktion@spektrum.com Konto: Postbank Stuttgart 22 706 708 mbH, Heidelberg. Jegliche Nutzung ohne die Quellenangabe in Ständiger Mitarbeiter: Dr. Michael Springer (BLZ 600 100 70). Die Mitglieder des Verbands Biologie, der vorstehenden Form berechtigt die Spektrum der Wissen- Editor-at-Large: Dr. Reinhard Breuer Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland (VBio) und schaft Verlagsgesellschaft mbH zum Schadensersatz gegen den Art Direction: Karsten Kramarczik von Mensa e. V. erhalten SdW zum Vorzugspreis. oder die jeweiligen Nutzer. Layout: Sibylle Franz, Oliver Gabriel, Anke Heinzelmann, Anzeigen: iq media marketing gmbh, Verlagsgruppe Wir haben uns bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Claus Schäfer, Natalie Schäfer Handelsblatt GmbH; Bereichsleitung Anzeigen: Marianne Dölz; Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber der Schlussredaktion: Christina Meyberg (Ltg.), Sigrid Spies, Anzeigenleitung: Katrin Kanzok, Tel. 0211 887-2483, Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das Katharina Werle Fax 0211 887 97-2483; verantwortlich für Anzeigen: branchenübliche Honorar nachträglich gezahlt. 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Erhältlich im Zeitschriften- und Bahnhofs- Dr. Susanne Lipps-Breda, Dr. Ursula Loos, Dr. Michael Springer. Gesamtherstellung: L. N. Schaffrath Druckmedien GmbH Co. buchhandel und beim Pressefachhändler Leser- und Bestellservice: Helga Emmerich, Sabine Häusser, mit diesem Zeichen. Ute Park, Tel. 06221 9126-743, E-Mail: service@spektrum.com KG, Marktweg 42–50, 47608 Geldern 6 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 7. Was den heutigenAnsätzen fehlt, ist Karl Popper die Einbeziehung der Spiritualität (da- folgen sie uns mit meine ich nicht die Religion) als und der Objektbegriff im internet transzendenten oder teleologischen Philosoph Michael Esfeld beleuchtete, Zweck jeder Gesellschaft oder jedes wie die Quantenphysik das philoso- Staates. Solange dieser Punkt, den Pla- phische Denken verändert. (»Das Wesen ton sehr wohl in seine Überlegungen der Natur«, Juni 2011, S. 54) www.spektrum.de/facebook mit einbezogen hat, außer Acht gelas- sen wird, bleibt Gerechtigkeit ein theo- Norbert Hinterberger, Hamburg: Ich retisches Konzept bar jeder praktischen halte Michael Esfelds Artikel nicht nur www.spektrum.de/youtube Relevanz für den Bürger, der der Will- deshalb für den besten in dieser Philo- kür einer sich selbst genügenden politi- sophieserie, weil er bisher der Einzige schen Kaste ausgeliefert ist. war, der Karl R. Poppers Relevanz für die www.spektrum.de/studivz Damit wäre Gerechtigkeit auf institu- schwierige Diskussion des Objektbe- tioneller Ebene idealerweise platonisch griffs erkannt hat, sondern vor allem in dem Sinn, dass jeder das erhält, was auch, weil ihm eine sehr dichte und ge- www.spektrum.de/twitter er braucht (nicht was er sich wünscht), schliffene Darstellung der wichtigsten und auf individueller Ebene kantia- philosophischen Probleme der physika- nisch, indem jeder so handelt, dass die lischen Kosmologie auf diesem engen Esfeld befreit uns hier mit seiner Grundlagen seines Handelns jederzeit Raum gelungen ist. korrekten Beschreibung der Kausalität zum universellen Gesetz erklärt wer- Popper hat bekanntlich schon sehr auf Quantenebene auch von der nicht den könnten. Das dürfte auch Platon früh darauf aufmerksam gemacht, dass funktionierenden klassischen Vorstel- gemeint haben, als er vom »besonne- wir nicht dazu gezwungen sind, Wahr- lung von Determinismus. Das hat mir nen« Bürger sprach. scheinlichkeit (antirealistisch) als »Maß persönlich am besten gefallen – nicht unseres Unwissens« zu betrachten, wie zuletzt wohl deshalb, weil ich seine Auf- das in der Kopenhagener Interpreta- fassung von Kausalität selbst vertrete. Elektronenübertragung tion (Bohr, Heisenberg, Born, von Neu- auf den Schwefel mann und andere) geschehen ist, son- Walkadaver sind ganze Ökosysteme, die dern als »Verwirklichungs-Tendenz« be- Glas leitet Wärme doch jahrzehntelang eine Vielfalt von Lebe- ziehungsweise »Propensität« bestimm- Eines der ersten Rastertunnelmikros- wesen ernähren, wie der Paläontologe ter physikalischer »Dispositionen«, et- kope bestand großteils aus Glas. (»Ex- Crispin T. S. Little herausfand. (»Oasen wa von Teilchen-Ensembles. All diese ponat des Monats«, April 2011, S. 91) der Tiefsee«, März 2011, S. 74) Begriffe stammen schon von Popper. Letzterer hat gegenüber der Untersu- Jörg Michael, Hannover: Die Behaup- Winfried Nelle, Dortmund: Der Autor chung individueller Objekteigenschaf- tung, dass Glas keine Wärme leitet, behauptet, die Bakterien würden Sau- ten den Begriff des physikalischen Pro- stimmt so nicht. Jedes Material leitet erstoff aus Sulfat im Meerwasser ex- zesses bevorzugt (im Übrigen auch für Wärme. Glas leitet Wärme immerhin trahieren und damit Knochenfett ver- makrophysikalische Objekte), den man schlechter als Metalle, aber immer noch dauen. Die Aussage ist falsch, da die ja durchaus zwanglos und ohne Infor- besser als gängige Kunststoffe. Bakterien die bei der (strikt) anaeroben mationsverlust auf der fundamentalen Oxidation des Fettes zum Zweck der Beschreibungsebene rein energetisch Energiegewinnung freigesetzten Elekt- ausformulieren kann. B r i e f e a n d i e r e da k t i o n ronen unter anaeroben Bedingungen Anders gesagt: Auf den Materie- … sind willkommen! Schreiben Sie uns auf auf den Schwefel des Sulfats und nicht beziehungsweise Objektbegriff werden www.spektrum.de/leserbriefe auf Sauerstoff übertragen. wir vermutlich wesentlich leichter ver- oder schreiben Sie mit Ihrer kompletten Adresse an: Der Schwefel des Sulfats ist der Elek- zichten können als auf den Begriff der tronenakzeptor, der von der Oxidati- Energie beziehungsweise der äquiva- Spektrum der Wissenschaft onsstufe +VI durch Aufnahme von acht lenten Masse. Der Begriff Materie könn- Leserbriefe Sigrid Spies Elektronen zum Sulfid (Oxidationszahl te sich als idealistisch herausstellen – Postfach 10 48 40 –II) reduziert wird (dissimilatorische und damit mindestens als überflüssig, 69038 Heidelberg Sulfatreduktion). Der im Sulfat gebun- wenn nicht gar als irreführend in fun- E-Mail: leserbriefe@spektrum.com dene Sauerstoff spielt bei der Reaktion damentalen Diskussionen. Das sollten Die vollständigen Leserbriefe und Antwor- keine Rolle. Das kann er auch nicht, da wir allein schon aus dem von Bell und ten der Autoren finden Sie ebenfalls unter er bereits vollständig reduziert ist (Oxi- Aspect hervorragend gestützten Phäno- www.spektrum.de/leserbriefe dationszahl –II). men der Nichtlokalität gelernt haben. WWW.SPEKTRUM.DE 7
- 8. spektrogramm ElEMENTARTEIlCHENPHySIK Quarks in ungesehener Eintracht B islang gelten Quarks als mäßig gesellige Elementarteilchen: Sie gruppieren sich lediglich zu Paaren sind: Hadronen, zu denen die Atom- kernbausteine Proton und Neutron gehören, mit je drei Quarks und Meso- verschmelzen dabei zu Deuterium; zusätzlich entstehen so genannte Pi-Mesonen (Pionen). Mit Hilfe des so oder Dreierbünden. Dementsprechend nen, die aus einem Quark und einem genannten WASA-Detektors nahmen existieren nur zwei Sorten von Teil- Anti-Quark bestehen. Zwar erlaubt das die Wissenschaftler nun die Teilchen- chen, die aus Quarks zusammengesetzt Standardmodell der Elementarteil- reaktionen mit bisher unerreichter chenphysik Partikel, die aus mehr als Präzision unter die Lupe. Sie konnten ForSChungSzentruM JüliCh drei Quarks bestehen – nachgewiesen so einen extrem schnell vergänglichen wurden sie aber noch nicht. Nun haben Zwischenzustand untersuchen, dessen Physiker möglicherweise erstmals ein Eigenschaften sich nicht allein mit Teilchen entdeckt, das sogar aus sechs herkömmlichen Teilchen erklären Quarks besteht. lassen. Beobachtet wurde es am Teilchen- Wie das Forscherteam berichtet, beschleuniger COSY (COoler SYnchro- könnte es sich dabei um ein so genann- tron) des Forschungszentrums Jülich, tes Multiquark-Hadron aus sechs wo ein Forscherkonsortium mit 120 Quarks handeln. Allerdings ist es auch Beteiligten Protonen und Neutronen möglich, dass diese gar kein kompaktes miteinander kollidieren lassen. Die Teilchen bilden, sondern ein winziges zusammenprallenden Hadronen »hadronisches Molekül«: Es wäre analog zu einem normalen chemi- schen Molekül aufgebaut, aber viel Der schwedische WASA-Detektor kleiner und mit Quarks als Bausteinen lieferte Hinweise auf ein Teilchen aus statt Atomen. sechs Quarks. Phys. Rev. Lett. 106, 242302, 2011 ANTHRoPologIE Weibchen auf Wanderschaft V or rund zwei bis vier Millionen Jahren lebten in Ost- und Süd- afrika die Australopithecinen, zu Die Wissenschaftler um Sandi Cope- land rekonstruierten die Lebensge- schichte von 19 Individuen der Arten sich über die aufgenommene Nahrung im Zahnschmelz niederschlägt. So gelang es Copeland und ihrem denen auch die berühmte Lucy gehör- Australopithecus africanus und Par Team, die Reviergröße der untersuch- te, unsere »Urahnin«. Die Lebensweise anthropus robustus, indem sie winzige ten Australopithecinen zu ermitteln. dieser Vormenschen liegt noch weit Mengen an Zahnschmelz aus den Demnach beschränkten sich die Männ- gehend im Dunkeln, da sich Fossilfun- fossilen Gebissen verdampften und chen beider Arten auf ein Gebiet von den Informationen darüber nur schwer darin das Verhältnis zweier Strontium- rund 30 Quadratkilometern. Ihr Revier entnehmen lassen. Aus der Zusam- isotope bestimmten. Jede geologische war damit vergleichbar dem heutiger mensetzung von Zähnen zweier Aus- Formation rund um die südafrikani- Gorillas, während etwa Schimpansen- tralopithecinen-Arten schlossen nun schen Fundstellen Swartkrans und gruppen durchaus Gebiete von 600 Forscher vom Max-Planck-Institut für Sterkfontein weist ihr eigenes charakte- Quadratkilometern durchstreifen. evolutionäre Anthropologie in Leipzig, ristisches Isotopenverhältnis auf, das Nature 474, S. 76 – 78, 2011 dass die Männchen ein Leben lang Sandi Copeland, Mpi eVa ihrem Geburtsort treu blieben, wäh- rend die Weibchen auf Wanderschaft Die Forscher analysierten den fossilen gingen – möglicherweise um sich Zahnschmelz mittels Laser Ablation anderen Gruppen anzuschließen und Multicollector Inductively Coupled Plasma dort Partner zu suchen. Ähnlich ver- Mass Spectrometry. Hierzu trugen sie mit halten sich heute Schimpansen und einem Laser kleinste Mengen an biolo- Bonobos, während bei den Gorillas gischem Material ab (als Riffelung auf der beide Geschlechter wandern. Oberfläche im Bild erkennbar). 8 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 9. autoren: Jan dönges,antje Findeklee, lars Fischer, Christian Maier, Maike pollmann lEbENSRäUME Wurm lebt einen Kilometer tief unter der Erde I n tiefen Gesteinsschichten sind die Lebensbedingungen hart: Es ist heiß, Sauerstoff und Nahrung Im Kluftwasser einer südafrikanischen Goldmine, mehr als einen Kilometer sind Mangelware. Entsprechend unter der Erde, lebt Halicephalobus ließen sich dort bislang nur ein- mephisto, ein winziger zellige Spezialisten nachweisen, die Fadenwurm. immerhin bis zu drei Kilometer unter der Oberfläche ihr Dasein gaetan Borgonie, uniVerSität gent, Belgien fristen. Jetzt entdeckten Wissen- schaftler in mehr als einem Kilome- ter Tiefe erstmals verschiedene Fadenwürmer, darunter auch eine neue Art: Halicephalobus mephisto. Ein einziges Exemplar davon kam mit dem Kluftwasser aus 1,3 Kilo- meter Tiefe der südafrikanischen sich sogar, und zwar durch Partheno- dort also eine jahrtausendealte Beatrix-Goldmine ans Tageslicht. genese, also mittels unbefruchteter Lebensgemeinschaft. Diese wird Es ist etwa einen halben Millime- Eizellen. jedoch bei der Bohrung zerstört, ter lang, sein Körper ist deutlich Gaetan Borgonie von der Uni- wenn Wasser mit hohem Druck den geringelt und endet in einem relativ versität Gent und seine Kollegen Biofilm aus den Gesteinsklüften langen, fadenförmigen Schwanz. Im vermuten, dass Halicephalobus spült, und regeneriert sich erst einige Labor zeigte sich das Tier recht mephisto vor Ort Bakterienrasen Zeit nach Abschluss der Arbeiten unempfindlich gegenüber hohen abweidet. Mittels Radiokarbonmes- wieder. Wohl deshalb habe man Temperaturen: Erst bei 41 Grad sungen datierten die Forscher das zuvor noch keine Fadenwürmer in Celsius stellte es das Wachstum ein – Kluftwasser auf ein Alter von 3000 solchen Bohrungen gefunden, meint in seinem Lebensraum herrschen bis 12 000 Jahren. Die Fadenwürmer Borgonie. 37 Grad Celsius. Und es vermehrte und die Mikroorganismen bilden Nature 474, S. 79 – 82, 2011 MEDIZIN Warum Rauchen schlank hält R auchen ist zwar ungesund, steht aber im Ruf, schlank zu machen. Jetzt entdeckte ein Team um Marina Er bindet bestimmte Signalmoleküle, die nach einer ausreichenden Mahlzeit freigesetzt werden, und aktiviert blockierten. Die Nager fraßen darauf- hin trotz Nikotingabe genauso viel wie ihre Artgenossen, die kein Nikotin Picciotto von der Yale University in daraufhin so genannte Proopiomela- erhielten. Bemerkenswert sei, so New Haven, dass Nikotin tatsächlich nocortin-Zellen (kurz POMC-Zellen). Picciotto, dass es sich bei dem entdeck- über einen speziellen Rezeptor auf Diese sorgen dafür, dass das Hunger- ten alpha-3-beta-4-nikotinischen Hypothalamuszellen einwirkt und so gefühl verschwindet. Beim Rauchen Azetylcholinrezeptor um einen ande- das Hungergefühl dämpft. scheint das aufgenommene Nikotin ren Typ handele als bei jenem, der für Rezeptoren, die auf Nikotin reagie- den Regulationsmechanismus kurzzu- Nikotinabhängigkeit verantwortlich ren, sind im Gehirn weit verbreitet – schließen: Es aktiviert über den Rezep- ist. Somit ließe sich ein maßgeschnei- so auch im Hypothalamus, der den tor die POMC-Zellen, ohne dass man derter Appetitzügler entwickeln, der Stoffwechsel reguliert. Der von Pic- sich dafür vorher satt essen müsste. die schlank machende Wirkung von Ni- ciotto und Kollegen identifizierte Re- Auf die Spur kamen die Forscher kotin imitiert, ohne über das Beloh- zeptortyp gehört dort zum körpereige- dem Rezeptor, indem sie bei Mäusen nungssystem Sucht auszulösen. nen Hungerregulationsmechanismus: den POMC-Signalweg gentechnisch Science 332, S. 1330 – 1332, 2011 WWW.SPEKTRUM.DE 9
- 10. spektrogramm Aktuelle Meldungen und SoNNENSySTEM Hintergründe finden Sie auf Die Quelle der Eisfontänen auf Enceladus Z ahlreiche lange Risse ziehen sich nahe dem Südpol über den eisbe- deckten Saturnmond Enceladus. Was- Analyse zeigt nun so deutlich wie keine zuvor, dass es seinen Ursprung in einem riesigen Salzmeer hat, das sich Postberg und seine Kollegen extra- polierten die gemessenen Häufigkeiten auf die Ausbruchsstelle. Demnach serdampf und Eispartikel schießen aus unter der Eisdecke verbirgt. machen die salzreichen Teilchen rund diesen »Tigerstreifen« ins All – mehre- Die Gelegenheit ergab sich, als die 70 Prozent aller ausgeworfenen Parti- re tausend Kilometer weit – und liefern Raumsonde Cassini mehrfach durch kel und mehr als 99 Prozent der insge- Nachschub für den diffusen E-Ring die von den Fontänen gebildete Wolke samt ausgeworfenen Masse aus. Diese des Saturns. Doch woher stammt das flog und sich dem Saturnmond dabei Ergebnisse seien jedoch unvereinbar ausgespiene Material? Eine neue bis auf 21 Kilometer näherte. Forscher mit der Annahme, dass die Eiskörn- um Frank Postberg vom Max-Planck- chen von der gefrorenen Eisoberfläche naSa, Jpl / SpaCe SCienCe inStitute Institut für Kernphysik in Heidelberg des Mondes stammen. Stattdessen konnten dadurch zahlreiche frisch sprechen sie für einen unterirdischen ausgespuckte Eiskörnchen im Massen- Ozean als Quelle, der aus dem Ge- spektrometer der Sonde analysieren. steinskern des Mondes ausgewaschene Dabei verglichen sie die Häufigkeiten Salze enthält. Die salzhaltigen Teilchen der verschiedenen Typen dieser kalten seien schockgefrostete Salzwasser- Krümel. Sie stellten fest, dass nahe der tröpfchen, die sich über dem Ozean bil- Auswurfstelle gut 40 Prozent der den und schließlich – mitgerissen von Entlang der »Tigerstreifen«, vulkanisch Partikel dem salzreichen Typ angehö- Dampf und Gas – durch Risse in der aktiver Spalten in der Südpolregion des ren, der große Mengen an Natrium- Eiskruste ins All geschleudert werden. eisigen Saturnmonds Enceladus, werden und Kaliumsalzen enthält, während Da sie schwerer sind als salzarme an verschiedenen Stellen Fontänen aus der von den Fontänen gespeiste Körnchen, schaffen es nur wenige von Eispartikeln und Wasserdampf in den Saturnring nur zu sechs Prozent aus ihnen bis in den E-Ring des Saturns. Weltraum geschleudert. diesem Typ besteht. Nature 474, S. 620 – 622, 2011 NANoTECHNIK Endlose Nanodrähte aus dem Ofen K ilometerlange Bündel aus weni- ger als zehn Nanometer dicken Drähten und Röhren lassen sich mit zieren und die gewünschten Eigen- schaften während des Herstellungs- prozesses zu erhalten. vom anderen Ende aus mit etwa 50 Zen- timetern pro Minute zu einem Draht zogen. Zwar verringerte sich der Durch- einem recht simplen Heißziehverfah- Die türkischen Forscher gingen von messer des Rohlings dabei – je nach ren herstellen, wie Mehmet Bayindir einem Rohling aus einem speziellen den Bedingungen – um den Faktor von der Bilkent-Universität in Ankara Halbleitermaterial mit etwa einem Zen- 25 bis 300, seine innere Struktur blieb und seine Kollegen demonstrierten. timeter Durchmesser aus, den sie unter jedoch bewahrt. Einzelne, dennoch Diese Bauteile sind für sehr unter- Vakuum langsam in einen 275 Grad entstehende Materialfehler heilten die schiedliche Anwendungen begehrt – heißen Ofen schoben, während sie ihn Forscher durch Erhitzen im Vakuum von der Mikrofluidik bis hin zu opti- aus. Die so erhaltenen, weniger als ein schen Techniken. Bislang war es aber Millimeter dünnen Drähte verdrillten nature MaterialS 10, S. 494 – 501, 2011, Fig. 4 nicht gelungen, lang ausgezogene sie dann zu regelmäßigen Bündeln, die Nanofäden homogen genug zu produ- sie in einem zweiten Schritt wiederum zu Drähten auszogen. Nach drei dieser Schritte erhielten sie abhängig von Das Herstellungsverfahren erhält die Ausgangsmaterial und Ziehgeschwin- innere Struktur des knapp 60 Mikrometer digkeit Drähte oder Röhren mit Durch- starken Nanodrahts, wie Querschnittauf- messern von einigen Nano- bis Mikro- nahmen zeigen: Die gebündelten Fasern 2 µm metern – sowie einer Länge von meh- bleiben am Drahtanfang (unten links) und reren hundert Metern bis Kilometern. -ende (rechts) regelmäßig angeordnet. 20 µm 20 µm Nature Mat. 10, S. 494 – 501, 2011 10 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 11. Bild des monats BIOLOGISCHE SCHRAUBE Beide auFnahMen: thoMaS Van de KaMp et al., KarlSruher inStitut Für teChnologie (www.Kit.edu) Der Mensch hat sich viele technische Prinzipien von der Natur abgeschaut – die klassische Schraube-Mutter-Verbindung schien jedoch seine alleinige Erfindung zu sein. Irrtum: Ein kleiner Rüsselkäfer verknüpft damit seit Millionen Jahren seine Beinglieder. Trigonopterus oblongus lebt in den Wäldern Neuguineas. Das Schraubengelenk an der Hüfte verbesserte möglicherwei- se sein Klettervermögen. Die 3-D-Rekonstruktion links zeigt, wie das Außengewinde des Trochanters (gelb) in der Coxa (grün) verankert ist. Die lang ausgezogene Spitze des Trochan- ters mündet in einem Loch der Coxa und stabilisiert so das Bein entlang der Drehachse. Science 333, S. 53, 2011
- 12. forschung aktuell BIologIE Dwight L. AnDerson Planet der Phagen Elektronenmikro BakteriophagensindViren,dieBakterieninfizieren.InderAnfangszeit skopische Auf derMolekularbiologiedientensiealseinfacheModellsysteme, nahme von zwei docherstjetztbeginntman,ihreRolleinderNaturzuverstehen. T4 und einem Phi29Bakterio VoNMICHAElgRoSS phagen (Mitte) B akteriophagen, oft auch kurz Pha gen genannt, sind der Wissenschaft schon seit rund 100 Jahren bekannt, voneinander unabhängiger Entwicklun gen: Zum einen führte die bedrohliche Verbreitung von Antibiotikaresistenzen nerationen hinweg weitervererbt wer den können. Auch das Gen für das Cho leratoxin erhält Vibrio von solchen Pha doch wurde ihre Erforschung immer in Bakterien zu einer Suche nach ande gen. Ohne diese wäre das Bakterium wieder vernachlässigt, sobald die For ren Möglichkeiten, mit denen man Bak harmlos. Die so genannten lytischen scher ein neues Interessengebiet ent terien bekämpfen kann. Zum anderen Phagen hingegen sind Zellpiraten, die deckten. Schon früh rückte die anti arbeiten die Genomsequenzierer inzwi grundsätzlich keine Gefangenen neh bakterielle Wirkung dieser für den schen sogar mit Proben direkt aus Ge men. Wenn sie eine Zelle infizieren, Menschen völlig harmlosen Viren ins wässern oder dem Boden und entde wird diese zur Phagenfabrik umge Rampenlicht, doch dann kamen die An cken, dass solche Proben aus der Umwelt modelt und im Zuge dessen zerstört. tibiotika, und die so genannte Phagen sehr viel mehr Phagen enthalten, als Diese Art von Phagen kann vermutlich therapie kam aus der Mode. Nur in der man gedacht hatte. Selbst die von den die Übertragung der Cholera bremsen, Sowjetunion – insbesondere in Tiflis, Bakterien getrennt einzuordnenden Ar doch um sie zu nutzen, müsste man die der Hauptstadt von Georgien – blieb chäen (»Archäobakterien«) haben eige komplizierten Wechselwirkungen zwi man den Phagen treu. ne Phagen, die bisher kaum erforschten schen Phagen, Bakterien und Menschen Ab den 1940er Jahren benutzten die Archäophagen. Man schätzt inzwischen, besser kennen. Pioniere der Molekularbiologie auf An dass es auf der Erde zehnmal mehr Pha regung des berühmten Genetikers Max gen als zelluläre Lebewesen gibt – wir le Modellsystem Rosskastanie Delbrück (1906 – 1981) Phagen als einfa ben sozusagen als tolerierte Minderheit Erste Ansätze zu einem tieferen Ver che Modellsysteme. Die Forscher jener auf dem Planeten der Phagen. ständnis der Rolle der Phagen in der Zeit beschränkten sich dabei auf einige Welche Rolle diese allgegenwärtigen Natur kommen aus der zoologischen wenige Phagen, darunter T4 und Lamb Viren für die Populationsdynamik und Fakultät der University of Oxford – ob da, die das Bakterium Escherichia coli Evolution ihrer Wirtsorganismen spie wohl in diesen Untersuchungen gar befallen und heute ebenso wie ihr Wirt len, ist noch weit gehend unbekannt. keine Tiere vorkommen. Britt Koskella zu den am besten untersuchten Arten Seit 2008 wissen wir immerhin, dass und ihre Kollegen wählten die Rosskas gehören. Aber ein umfassenderes Inter Phagen in nährstoffarmen Biotopen der tanie als Modellsystem. Diese Baumart esse für Phagen und ihre Rolle in der Tiefsee eine wichtige Funktion haben: leidet auch hier zu Lande seit einigen Natur entstand daraus nicht. Indem sie Bakterien auflösen, setzen sie Jahren zunehmend unter einer neuen Auch die ersten vollständig sequen die in ihnen enthaltenen Stoffe frei und Rindenkrankheit, ausgelöst durch Bak zierten Genome waren Phagengenome. entziehen sie so dem Zugriff von höhe terien der Art Pseudomonas syringae. Zuerst kam MS2, das aus RNA besteht, ren Organismen. Auf diese Weise stehen Die Bakterien ihrerseits werden von und dann, als erstes DNAGenom, die die knappen Ressourcen weiterhin den Phagen infiziert. Sequenz von PhiX174. Doch dann streb Mikroben zur Verfügung. Bisher untersuchten Forscher die ten die Genomsequenzierer ebenfalls Ein besseres Verständnis der Pha wechselseitige Anpassung zwischen nach Höherem. Sie entwickelten ihre genökologie wäre auch aus medizini Phagen und Bakterien vor allem im La Methoden weiter, sequenzierten erst scher Sicht wünschenswert. Der Erreger bor – und wenn in der Natur, dann nur Bakterien, dann Pflanzen, Tiere und der Cholera, Vibrio cholerae, wird zum in wässrigen Habitaten. Koskella konn Menschen und ließen die Phagen wie Beispiel von rund 200 verschiedenen te mit der Rosskastanie erstmals auf ein der in Vergessenheit geraten. Phagenarten infiziert. Einige davon Modellsystem zurückgreifen, wo diese Wiedererweckt wurde das Interesse sind so genannte lysogene Phagen – das Wechselwirkung in einer klar definier an den natürlichen Bakterienkillern erst heißt, sie schleusen ihre Gene in das ten räumlichen Matrix stattfindet. Sie nach der Jahrtausendwende dank zweier Genom des Wirts ein, wo sie über Ge wies nach, dass der »Lebensraum« der 12 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 13. Phagen jeweils derganze Baum ist: Bak achtet man normalerweise einen »Rüs digungsmaßnahmen des Gegners zu terien aus anderen Blättern, auch von tungswettlauf« der Bakterien und Pha kontern. Dabei handelt es sich aber eher weit entfernten Zweigen desselben gen, wobei sowohl die Aggressivität der um ein zeitweiliges Ausweichen, nicht Baums, konnten die Phagen im Labor Phagen als auch die Resistenz der Bakte um eine bleibende Aufrüstung. Das versuch ebenso leicht infizieren wie die rien mit der Zeit zunimmt. Dies kann zeigte sich daran, dass sowohl Phagen aus demselben Blatt isolierten Bakteri man testen, indem man Phagen zu ei als auch Bakterien am wirksamsten ge en. Mit aus anderen Bäumen isolierten nem bestimmten Zeitpunkt der Ent gen Kontrahenten kämpften, die zum Bakterien derselben Art taten sich die wicklung entnimmt und mit Bakterien selben Zeitpunkt entnommen worden Phagen hingegen schwer. Offenbar de aus derselben Kultur, aber von einem waren. Sowohl gegen spätere wie auch finiert also der einzelne Baum die Gren anderen Zeitpunkt zusammenbringt. gegen frühere Gegner sahen sie nicht so zen der Gemeinschaft aus Bakterien Von den beiden Kontrahenten gewinnt gut aus (Science 332, S. 106 – 109, 2011). und Phagen, innerhalb deren die wech stets der später entnommene – das Eines ist klar: Es bleibt noch viel zu selseitige Anpassung stattfindet (Ame heißt, die Kampfkraft beider Seiten erforschen, bis wir diese zahlreichsten rican Naturalist 177, S. 440 – 451, 2011). nimmt mit der Zeit immer weiter zu. Bewohner unseres Planeten wirklich Wie ein solches Wechselspiel zeitlich Gómez und Buckling führten eine verstehen. Doch die Mühe könnte sich abläuft, untersuchte Angus Buckling, analoge Untersuchung nun erstmals in lohnen – als Belohnung winkt die Hoff der auch an der Kastanienstudie betei einem natürlichen Umfeld durch, näm nung, dass sie uns eines Tages dabei ligt war, zusammen mit seinem Postdoc lich in Bodenproben. Die Forscher fan helfen können, jene bakteriellen Infek Pedro Gómez. In Laborversuchen beob den heraus, dass in der Natur kein Wett tionen zu besiegen, gegen die unsere rüsten stattfindet, bei dem beide Seiten Antibiotika immer machtloser werden. immer besser werden. Zwar ändern sich Ein einzelner Kastanienbaum wie dieser beide Seiten auch in der Natur konti Michael Groß ist Biochemiker und freier enthält jeweils eine spezifische Gemein nuierlich und schnell, um die jewei wissenschaftsjournalist in oxford, england. schaft aus Bakterien und Phagen. ligen Angriffs beziehungsweise Vertei www.michaelgross.co.uk fotoLiA / CoLoreLLo WWW.SPEKTRUM.DE 13
- 14. forschung aktuell ERDgESCHICHTE Großes Sterbendurch große Brände Wiesogingvor250MillionenJahrenfastalleslebenaufderErdezugrunde?FlugaschefundeinKanada bestätigennundieTheorie,dassverheerenderVulkanismusinSibiriendieKatastropheauslöste. VoNKARlURBAN sibirische Buchanan- Trapps N iemals in der bekannten Erd geschichte stand das Leben so nahe am Abgrund wie vor See können sie jedenfalls nicht allein erklären: den jähen Anstieg im Verhältnis des leichteren Kohlen etwa 250 Millionen Jahren. Erst stoffisotops der Atommasse 12 vereinigten sich die Landmas zum schwereren Kohlenstoff13. sen Laurasia und Gondwana im Er ist so ausgeprägt, dass die Um späten Karbon zum Großkontinent n At u welt im späten Perm mit Material or re geo s C , fi g . 1 ien Ce 4, s. 1 04 – 1 07, 20 11 Pangäa. Immer mehr Arten konkurrier ganischen Ursprungs geradezu überflu ten um einen schrumpfenden Lebens Vor 250 Millionen Jahren waren alle tet worden sein muss. Denn jedes Lebe raum, weil viele der besonders dicht be irdischen Landmassen im Superkontinent wesen nimmt bevorzugt Kohlenstoff12 siedelten Küstenhabitate verschwanden. Pangäa vereint. Damals schuf eine aus der Umwelt auf, wodurch etwa fossi Dann entwickelte sich ein Treibhauskli Serie gewaltiger Vulkanausbrüche die le Lagerstätten aus abgestorbenen Orga ma und setzte das Leben auf der Erde sibirischen Trapps: Flutbasalte mit nismen stark mit dem leichten Isotop weiter unter Druck – bevor schließlich einer Ausdehnung von 2,5 Millionen angereichert sind. Der Paläontologe Paul eine bislang rätselhafte Folge von Ereig Quadratkilometern. Bei diesen Eruptionen Wignall von der University of Leeds nissen am Ende des Perms die Ökosyste gebildete Flugascheteilchen fanden (England) hat errechnet, dass selbst das me rund um den Globus fast völlig kol Forscher nun am Grund eines Sees in Absterben fast aller damaligen Erdbe labieren ließ: 96 Prozent der marinen Kanada, wohin Westwinde sie einmal um wohner zusammen mit den geschätzten Spezies und 70 Prozent aller Arten an den Globus herum verfrachtet hatten. vulkanischen Ausgasungen nicht aus Land verschwanden für immer. reichen würde, die anomalen Messwerte Die Katastrophe übertraf damit auch zu erklären. Deshalb müsste zusätzlich das viel bekanntere Artensterben, dem ren Indizien für einen Einschlag blieb fossiler Kohlenstoff freigesetzt worden vor rund 65 Millionen Jahren die Dino erfolglos; Berichte über Iridium oder sein, der etwa in Kohlevorkommen un saurier zum Opfer fielen. Als Ursache durch hohen Druck zerrüttete Quarz ter Tage oder Methanhydraten am Mee dieser Massenextinktion gilt der Ein kristalle ließen sich nicht erhärten. resgrund gespeichert ist. schlag eines gigantischen Himmelskör Andere Forscher brachten die Flut Eine mögliche Quelle dafür entdeck pers, seit der Geologe Luis Alvarez 1981 basalte in Sibirien mit dem rätselhaften te ein Forscherteam um Henrik Svensen weltweit an der Schichtgrenze zwischen Artensterben vor 250 Millionen Jahren von der Universität Oslo (Norwegen) im Kreide und Tertiär das in Meteoriten in Verbindung. Dort nämlich spien just Jahr 2008: Im sibirischen Tunguska häufige Metall Iridium fand. zur selben Zeit Vulkane über knapp becken bahnte sich das Magma einst Der Grund für das Artensterben an 600 000 Jahre hinweg Unmengen an seinen Weg durch Erdöl führende Schie der PermTriasGrenze ist dagegen un Lava aus, die mindestens 2,5 Millionen fer, Karbonate und Salze, was in zweifa klar. Aus dieser Zeit existieren nur weni Quadratkilometer – das Siebenfache der cher Hinsicht fatale Folgen hatte. Zum ge Gesteine, die zudem kein eindeutiges Fläche Deutschlands – bedeckte. Mit den einen trieben die hohen Temperaturen Bild abgeben. Zwar behauptete Luann Ausbrüchen gelangten auch immer wie aus dem Ölschiefer zehntausende Giga Becker von der University of Washing der massenhaft Kohlendioxid, Schwefel tonnen flüchtige Kohlenwasserstoffe ton in Seattle 2001, an der Grenzschicht gase und Asche in die Atmosphäre. aus, die mit dem Magma an die Oberflä Fullerene außerirdischen Ursprungs ge Die sibirischen Trapps, wie die Flut che gelangten und dort verbrannten. funden zu haben: In den fußballförmi basalte fachsprachlich heißen, markie Dabei entstand doppelt so viel Kohlen gen Kohlenstoffmolekülen entdeckte ren damit eine der gewaltigsten vulkani dioxid, wie die Vulkane selbst in die Luft sie Edelgase, deren Isotopenverhältnis schen Epochen der Erdgeschichte. Doch bliesen. Zudem zeigten die norwegi dem in einer speziellen Form von Mete ob sie wirklich den Untergang so vieler schen Wissenschaftler in Experimen oriten glich (Spektrum der Wissenschaft Arten weltweit verursachten, war bisher ten, dass schon bei Temperaturen von 7/2002, S. 60). Doch die Suche nach ei fraglich. Einen markanten Einschnitt an 275 Grad Celsius im Untergrund enor nem passenden Krater und nach ande der permotriassischen Schichtgrenze me Mengen an organischen Chlor und 14 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 15. Bromverbindungen entstanden, die über den panthalassischen Ozean mehr te zu erklären. Außerdem lässt sich das gleichfalls in die Atmosphäre ausgasten. als 20 000 Kilometer weit bis in das Muster des Massenaussterbens mit dem Dort wirkten sie wie die vom Menschen heutige Nordkanada. »Wir sehen das Ascheregen allein nicht erklären. Dieser freigesetzten Fluorchlorkohlenwasser gleiche Phänomen bei großen Stürmen behinderte zwar die Fotosynthese und stoffe (FCKWs) und zerstörten die Ozon in der Sahara«, erläutert Grasby. »Die vergiftete Ökosysteme, doch legte sich schicht. Dadurch konnte erbgutschädi feinen Staubteilchen sind in ihrer Grö die Asche gleichermaßen auf Kontinen gende ultraviolette Sonnenstrahlung ße vergleichbar mit der permischen te und Meere. Warum aber war dann das am Ende des Perms die Atmosphäre fast Flugasche und werden bis nach Nord Leben an Land deutlich weniger betrof ungehindert durchdringen. amerika geweht. Gelangen solche Par fen als das in den Ozeanen? Und wieso Die massive Verbrennung fossiler tikel bei besonders heftigen vulkani wurden im Meer vor allem solche Arten Kohlenwasserstoffe müsste weltweit schen Ausbrüchen bis in die Strato stark dezimiert, die am Boden lebten Spuren hinterlassen haben. Die Suche sphäre, können Winde sie spielend über und Nährstoffe aus dem Wasser filter danach gestaltete sich jedoch mühsam. sehr große Distanzen transportieren.« ten – darunter Korallen, Armfüßer und Nun wurden Stephen Grasby vom Geo Die Eigenschaften der Flugaschepar Seelilien? Dagegen überlebten viele Vor logical Survey of Canada in Calgary und tikel deuten auf sehr hohe Verbren läufer der modernen Fauna mit einem zwei Kollegen fündig (Nature Geosci nungstemperaturen hin. Denn nur un aktiveren Stoffwechsel (Spektrum der ence 4, S. 104, 2011). Auf der Insel Axel ter diesen Bedingungen schmilzt die Wissenschaft 9/1996, S. 72). Heiberg in der kanadischen Arktis ent Asche auf und erstarrt beim Kontakt deckten sie in Schiefern an der Perm mit der kalten Luft zu winzigen tröpf Tote Meere TriasGrenze winzige Flugascheparti chenartigen Gebilden, die von Gasbläs Wahrscheinlich waren die Meere schon kel, die sie mit den sibirischen Trapps chen durchzogen sind. Auch fest geblie vor dem Ausbruch des heftigen Vulka in Verbindung bringen. Ihrer Ansicht bene Kohlereste in den kanadischen nismus in keinem guten Zustand. Auf nach zeugen die Teilchen davon, dass Schiefern lassen durch Risse und Defor dem Großkontinent Pangäa breiteten das heiße Magma damals auch in Koh mationsstrukturen erkennen, dass sie sich Wüsten aus. Zuvor hatten Nieder leflöze eindrang und sie verschwelte, stark erhitzt wurden. Tatsächlich ist die schläge Kohlendioxid aus der Luft aus das heißt unter Luftausschluss zersetz permische Flugasche laut Grasby und gewaschen, das am Boden dann bei Ver te. Den dabei gebildeten Teer sowie Kollegen kaum von den Verbrennungs witterungsprozessen gebunden wurde. Kohlegrus und geschmolzene Schlacke rückständen moderner Kohlekraftwer Bei der nun herrschenden Trockenheit beförderte es mit an die Oberfläche ke zu unterscheiden. Die Kanadier fan aber reicherte sich das bei natürlichen und schleuderte das brennbare Ge den in Rauchgasfiltern solcher Anlagen Prozessen gebildete Treibhausgas in misch kilometerhoch in die Atmosphä Partikel mit vergleichbaren Größen, der Atmosphäre an und heizte die Erde re. Dort entzündete sich das Material Formen und optischen Eigenschaften. auf. Dadurch löste sich auch mehr Koh in der heißen Lava und erzeugte gewal Trotzdem bleiben offene Fragen. So lendioxid in den Meeren, so dass diese tige Rauchwolken, die sich durch Luft ist bisher unklar, wie groß die sibiri versauerten und Tiere mit Kalkgehäu strömungen über die gesamte Hemi schen Kohlelager am Ende des Perms sen zu Grunde gingen. sphäre verteilten. wirklich waren – und ob ihr Anteil an Durch die Erderwärmung schmol So gelangte die Asche mit dem vor leichtem Kohlenstoff12 ausreichte, die zen im Lauf des Perms die Eiskappen an herrschenden Westwind auch quer abnormen Isotopenwerte der Sedimen den Polen, wodurch möglicherweise die Umwälzpumpe erlahmte, die heute eine globale Ozeanzirkulation in Gang nAture geosCienCe 4, s. 104 – 107, 2011, fig. 2 Buchanan-See modernes Kohlekraftwerk hält. Schlecht durchlüftete Bereiche in den Ozeanen waren also schon verbrei tet, als massive Vulkanausbrüche und Brände nicht nur zusätzliches Kohlen dioxid freisetzten, sondern auch den Sauerstoffmangel verschärften, indem sie die Ozeane mit Eisen und anderen 20 µm 20 µm Metallen aus den Aschewolken düng ten. Es kam zu Algenblüten, und auch Die im BuchananSee in Kanada gefundenen fossilen Teilchen sehen der Flugasche Zyanobakterien breiteten sich explosi moderner Kohlekraftwerke sehr ähnlich. Das deutet darauf hin, dass das Magma der sibi onsartig aus. Als die Organismen nach rischen Flutbasalte beim Aufstieg Kohleflöze durchquerte und sie verschwelte, also in ihrem Absterben verwesten, zehrten sie Abwesenheit von Sauerstoff zersetzte. Teer, Asche und Kohlegrus gelangten so mit an die die letzten Sauerstoffreste auf: Weite Oberfläche, wo sich das brennbare Gemisch entzündete. Die Rauchwolken stiegen bis Meeresregionen verwandelten sich so in die Stratosphäre empor und verteilten sich über die gesamte Nordhalbkugel. in tote, stinkende Kloaken. WWW.SPEKTRUM.DE 15
- 16. forschung aktuell Hinweise auf diese Ereignisse ent konnten die mobileren Arten bis zu ei Auch Grasby entdeckte im kanadi deckte Wignall schon 1996. Er fand in nem gewissen Grad ausweichen und in schen Norden noch vor der eigentlichen marinen Sedimenten auf Spitzbergen Bereichen mit noch ausreichend Sauer PermTriasGrenze mehrere sauerstoff und in Südosteuropa mehrere Schich stoff überleben. freie Phasen. Dünne Lagen mit Flug ten, die auf fehlenden Sauerstoff im Wirklich lebensfreundlich waren zu asche aus brennenden Kohlevorkom Wasser hindeuteten. Darin dominierte letzt aber wohl nur noch wenige Regio men kamen erst etwas später hinzu. etwa das Mineral Pyrit, das sich nur un nen. Denn anhand von Biomarkern fan »Normalerweise kann die Biosphäre die ter Sauerstoffabschluss bildet. Diese To den australische Forscher im Jahr 2005 Belastung durch einen Klimawandel deszone für alle Organismen mit aero an diversen Fundstellen Anhaltspunkte oder durch Flugascheemissionen eini ber Zellatmung breitete sich mit der dafür, dass selbst die lichtdurchflutete germaßen verkraften«, vermutet er. Zeit immer weiter aus und griff von Zone nahe der Wasseroberfläche zeit »Doch im späten Perm war sie bereits so Tiefseehabitaten auch auf die Küsten weise keinen Sauerstoff mehr enthielt. stark unter Druck, dass massiver Vulka regionen über, wo heute die produk Lediglich Mikroorganismen wie grüne nismus und seine Folgen wohl den Aus tivsten Ökosysteme vorkommen. Hier Schwefelbakterien überlebten hier. Sie schlag für das große Sterben gaben.« ging die zuvor üppige standortgebun vertragen überhaupt keinen Sauerstoff dene Fauna, zu der etwa die Korallen ge und hausen deshalb für gewöhnlich tief Karl Urban hat geowissenschaften studiert und hören, komplett zu Grunde. Dagegen im Sediment. arbeitet als freier Journalist in heidelberg. FoToVolTAIK Spinblockade in Plastiksolarzellen SolarzellenausKunststoffsindpreiswert,habenabereinengeringenWirkungsgrad.Einerder gründedafürließsichnunfestmachen:ladungsträgerblockierensichgegenseitig.DieseErkenntnis ebnetdenWegzutechnischenVerbesserungendervielversprechendenSolarstromlieferanten. VoNJANBEHRENDS,AlExANDERSCHNEggUNDKlAUSlIPS S olarzellen sind auf dem Vormarsch. Sie sollen bis zu 30 Prozent des Stroms im erneuerbaren Energienetz betrifft auch die zu Grunde liegenden physikalischen Mechanismen bis hin zu Quanteneffekten. dabei in weniger als einer Pikosekunde (10 –12 Sekunden), und das Loch verbleibt auf dem Polymer. Von nun an können der Zukunft liefern. Das setzt jedoch vo Organische Solarzellen bestehen aus sich beide Ladungen unabhängig vonei raus, dass die Kosten der fotoaktiven dünnen Schichten Strom leitender Koh nander bewegen – allerdings nicht frei Schicht in diesen Zellen nur noch eine lenwasserstoffverbindungen. Bewährt in alle Richtungen. Die Löcher bleiben untergeordnete Rolle spielen. Welche hat sich unter anderem eine Kombina auf die Polymermoleküle beschränkt Materialien und Konzepte sich dabei tion bestimmter Polymere mit Fullere und wandern bevorzugt an diesen ent durchsetzen werden, ist momentan nen, käfigförmigen Kohlenstoffmolekü lang. Die Elektronen hüpfen von Fulle noch nicht absehbar. Besonders große len der Summenformel C60. Absorbiert ren zu Fulleren. Fortschritte macht die Entwicklung der Kunststoff Licht einer bestimmten Dabei verzerren beide Ladungen auf organischer Solarzellen, die sich ohne Frequenz, wird ein Elektron auf ein hö Grund ihrer elektrostatischen Anzie hohen Energieaufwand bei niedrigen heres Energieniveau befördert. An sei hungskraft die Struktur des jeweiligen Temperaturen großflächig verarbeiten ner ursprünglichen Position bleibt ein Moleküls. Die Gebilde aus Ladung und lassen – unter Einsatz erprobter Pro »Loch« zurück, das einer positiven La elektrischer Verzerrung verhalten sich duktionsprozesse der Folienindustrie. dung entspricht. Von der gegenseitigen wie Teilchen – weshalb man von Quasi Doch haben solche »Plastiksolarzellen« elektrostatischen Anziehung gebunden, teilchen spricht – und werden als Pola im Vergleich zu ihren Gegenstücken bilden Elektron und Loch – wie bei kris ronen bezeichnet. Positive und negative aus Silizium einen deutlich geringeren tallinen Solarzellen auch – ein stabiles Polaronen (kurz: P + und P –) überneh Wirkungsgrad von maximal 9 gegen Gebilde: das Exziton. Dieses wandert men in organischen Halbleitern die Rol über 25 Prozent und eine wesentlich durch das Polymer. Trifft das Elektron le der Elektronen und Löcher im Silizi kürzere Lebensdauer. Bis zu ihrem Ein auf ein Fulleren, geht es auf das Käfig um. Damit der Solarzelle ein makro satz als Billigstenergiequelle ist also molekül über, weil dessen Energieni skopischer Strom entnommen werden noch eine Menge Forschung nötig. Das veaus tiefer liegen. Das Exziton zerfällt kann, müssen sie zu den jeweiligen elek 16 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 17. Ladungstrennung und Stromtransport Eine organische Solarzelle besteht aus mehreren Schichten: he gelegenen Polymer-Fulleren-Grenzfläche diffundieren kann einem Glasträger, einem optisch transparenten, leitfähigen Oxid (➋). Dort geht das Elektron auf das Fulleren über, verzerrt es (TCO) als Anode, dem fotovoltaisch aktiven Medium – hier ein und bildet ein so genanntes negatives Polaron, während aus Gemisch aus einem ➍ dem Loch im Polymer Polymer (rot) und ei- analog ein positives nem Fulleren (blau) – Polaron entsteht (➌). sowie einer metal- Beide können unab- lischen Kathode. Wird ➋ ➌ hängig voneinander durch die Anode ein- durch das jeweilige ➊ fallendes Licht (grü- Material bis zu den ner Pfeil) von einer Elektroden wandern Polymerkette absor- (➍). Diese lassen se- biert, bildet sich ein ➍ lektiv nur negative Exziton (gebundenes (Metall) oder positive Elektron-Loch-Paar) Glas TCO Metall Polaronen (TCO) pas- (➊), das zu einer na- elektrischer Strom sieren. J. BehrenDs, A. sChnegg unD K. Lips trischen Kontakten gelangen (siehe Kas Unterwegs treffen die Polaronen auf se enthalten mitunter ein energetisch ten oben). Die beiden Elektroden sind so eine Vielzahl von Molekül und Phasen tief liegendes Niveau, das im Stande beschaffen, dass zur einen nur positive grenzen, an denen häufig strukturelle ist, ein Polaron einzufangen. Außerdem und zur anderen ausschließlich negati Defekte sowie chemische und atomare können dort P + und P – aufeinandertref ve Polaronen Zutritt erhalten. Unregelmäßigkeiten vorkommen. Die fen und sich gegenseitig auslöschen
- 18. forschung aktuell (rekombinieren). Umden Wirkungs Rolle spielen: der Spin. Darunter ver können sich die beiden Polaronen nach grad organischer Solarzellen zu stei steht man den Eigendrehimpuls, also einer quantenmechanischen Regel, gern, müssen wir solche Vorgänge bes Drall, eines Teilchens, der mit einem dem so genannten PauliPrinzip, einan ser verstehen. magnetischen Moment verbunden ist. der nicht nähern. Der zur Elektrode Auf seinem Weg zur Elektrode kann Polaronen verhalten sich somit in ge wandernde Ladungsträger wird also ge ein positives Polaron allerdings auch wissem Sinn wie winzige Stabmagnete. stoppt und kommt nicht weiter. Wenn auf ein anderes P + treffen. Bisher ließ Beim Zusammentreffen zweier sol dem so ist, beeinträchtigt das den sich nur vermuten, was dann passiert. cher Quasiteilchen kommt es nun ent Stromfluss in der Solarzelle. Demnach sollte bei einer solchen Be scheidend darauf an, wie ihre Spins zu Bei antiparalleler, also entgegenge gegnung eine quantenmechanische Ei einander ausgerichtet sind. Bei paral setzter Orientierung der beiden Spins genschaft der Polaronen eine wichtige leler, also gleichsinniger Orientierung erlaubt das PauliPrinzip dagegen eine Manipulation des Spins mit Mikrowellen Wenn ein Polaron bei seiner Wanderung durch das Polymer auf Die Spins kippen deshalb zufallsabhängig in die parallele oder ein anderes mit gleicher Spinorientierung trifft, kommt es we- antiparallele Stellung. In der Hälfte der Fälle sind sie deshalb an- gen einer quantenmechanischen Regel – dem so genannten schließend antiparallel ausgerichtet, so dass ein Bipolaron ent- Pauli-Prinzip – nicht daran vorbei. Wird es jedoch mit einem stehen kann. Ein ähnlicher Fall liegt bei der Begegnung zweier schwachen Mikrowellenpuls (MW-Puls) einer bestimmten Län- entgegengesetzt geladener Polaronen vor. Die negative Ladung ge selektiv um 180 Grad gedreht, kann es mit dem anderen Po- auf einem Fulleren und die positive eines Polymer-Polarons kön- laron vorübergehend zu einem Bipolaron verschmelzen und da- nen sich kompensieren. Man spricht dann von Rekombination. nach seinen Weg fortsetzen. Im Unterschied dazu dreht ein Diese findet nicht statt, wenn beide Polaronenspins in die glei- starker Mikrowellenpuls beide Polaronenspins simultan. Bei che Richtung zeigen. Wiederum kann man mit gezielten Mikro- einem Drehwinkel von 90 Grad erreichen sie eine Orientierung wellenpulsen die Spins – je nach Pulsstärke einzeln oder zusam- senkrecht zum angelegten Magnetfeld, die aber nicht stabil ist. men – drehen und so die Rekombination herbeiführen. Spindrehung durch Bipolaron starken Mikrowellenpuls Transport erlaubt ↑↑ -Paarbildung Transport Bipolaronen blockiert P+/P–-Paar Transport blockiert Bildung Spindrehung durch starken Mikrowellenpuls Bipolaron Transport erlaubt P+/P–-Paar Rekombination blockiert Rekombination Spindrehung durch blockiert starken Mikrowellenpuls Polaronenpaar P+/P–-Paar Rekombination Auslöschung durch Rekombination erlaubt Rekombination J. BehrenDs, A. sChnegg unD K. Lips 18 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 19. Verbindung der beidenPolaronen zu ei nem so genannten Bipolaron. Dieses ist Beweis der Bipolaron-Bildung allerdings instabil und zerfällt nach kurzer Zeit wieder in zwei einzelne Qua Die Kurven im linken Diagramm zeigen für zunehmende Pulsleistungen (von oben siteilchen. Damit kann sich das Polaron nach unten), wie sich der Dunkelstrom durch die Solarzelle bei Zimmertemperatur weiter hin zur Elektrode bewegen. mit der Dauer eines eingestrahlten Mikrowellenpulses passender Frequenz ändert. Im Institut für SiliziumPhotovolta Bei schwachen Pulsen entstehen Strommaxima durch Drehung des Spins blo- ik des HelmholtzZentrums Berlin woll Pulsleistung J. BehrenDs, A. sChnegg unD K. Lips ten wir erstmals experimentell prüfen, Oszillationsfrequenz in Megahertz ob diese theoretischen Vorstellungen zutreffen. Dazu bedienten wir uns ei ner in unserem Labor entwickelten spe Stärke des Dunkelstroms Pulsleistung ziellen Methode: der gepulsten elekt risch detektierten magnetischen Reso nanz (pEDMR). Dabei wird die nur etwa 100 Nanometer dicke organische Solar zelle einem starken äußeren Magnet feld ausgesetzt. Dadurch richten sich die Elektronenspins der Polaronen zu 0 100 200 300 400 500 0 0,2 0,4 0,6 0,8 fallsabhängig parallel oder antiparallel Pulslänge in Nanosekunden Intensität zu diesem Feld aus. Zwischen den bei den Orientierungen besteht eine Ener ckierter Polaronen um 180 Grad. Wird die Mikrowellenleistung gesteigert, erhöht giedifferenz, die primär von der Feld sich die Oszillationsfrequenz, weil für denselben Drehwinkel kürzere Pulsdauern stärke abhängt. Sie wird in gewissem ausreichen. Zudem erscheint zunehmend eine weitere Oszillation mit der doppelten Maß aber auch von der lokalen Umge Frequenz, die auf der gemeinsamen Drehung der Spins von Polaronenpaaren be- bung eines Polarons beeinflusst, die ruht. Im rechten Diagramm, das eine Fourier-Transformation der Messergebnisse das Feld teilweise abschirmen kann. In zeigt, lässt sich gut erkennen, wie sich die Intensität beider Frequenzkomponenten dem wir diese Energien bestimmten bei steigender Mikrowellenleistung verschiebt. und geeignete Messbedingungen wähl ten, konnten wir zeigen, dass wir es tat sächlich mit P +Quasiteilchen zu tun periodische Schwankung. Da wir vor oden auf und ab bewegten. Zum ande haben. her bereits wussten, dass es sich bei den ren ist die Energieverteilung bei intensi wechselwirkenden Teilchen um P + han veren Pulsen breiter. Dadurch lassen Gezieltes Drehen von Spins delt, war genau dieses Verhalten aber zu sich die Polaronen nicht mehr so selek Zum Nachweis des BipolaronMecha erwarten, wenn der BipolaronMecha tiv anregen. Es kommt deshalb immer nismus machten wir uns daran, Polaro nismus zutrifft. Zur Erklärung sei ein häufiger vor, dass der Mikrowellenpuls nenspins gezielt zu drehen. Das gelingt Polaron betrachtet, das durch ein ande nicht nur bei einem, sondern bei beiden durch Einstrahlen kurzer Mikrowellen res mit gleichsinnigem magnetischem Quasiteilchen eines Paars den Spin pulse, deren Frequenz und damit Ener Moment blockiert wird. Dreht man sei dreht. Was bedeutet das? gie der Energiedifferenz zwischen par nen Spin, so steigt die Wahrscheinlich Betrachten wir dazu ein Polaronen alleler und antiparalleler Orientierung keit, dass es über die Bildung eines Bi paar mit nach oben weisenden paralle der Spins zum äußeren Magnetfeld ent polarons seinen Weg fortsetzen kann. len Spins. Werden beide um 180 Grad spricht. Da diese Differenz aber auch Bei einem Drehwinkel von 180 Grad ist gedreht, zeigen sie immer noch in die von der unmittelbaren Umgebung ab diese Wahrscheinlichkeit am größten, gleiche Richtung. An der misslichen Si hängt, ist sie für jedes Polaron ein we weil nun eine antiparallele Anordnung tuation, dass das eine Polaron an dem nig verschieden. Das erlaubt es, die vorliegt. Danach sinkt sie wieder. anderen nicht vorbeikommt, hat sich Spins solcher Quasiteilchen selektiv zu Wir führten das geschilderte Experi also nichts geändert. Nach einer Dre drehen. Die Länge des Mikrowellenpul ment mehrmals durch, wobei wir die In hung um nur 90 Grad verlaufen beide ses bestimmt dabei den Drehwinkel. tensität des Mikrowellenpulses schritt Spins dagegen horizontal. Dieser Zu Wir maßen nun, wie sich der Strom weise erhöhten. Diese Steigerung hat stand ist in dem äußeren Magnetfeld transport durch die Solarzelle änderte, zwei Auswirkungen. Zum einen verrin jedoch nicht stabil. Deshalb richten sich wenn wir die Pulsdauer vergrößerten. gert sie die Pulsdauer, die nötig ist, den die Spins sofort wieder parallel oder an Wie sich zeigte, nahm der Strom zu Spin um einen bestimmten Winkel zu tiparallel zu ihm aus. Die eine Hälfte nächst zu, dann ab und wieder zu und drehen. Im Einklang damit erhielten wir kippt dabei nach oben und die andere so weiter. Wir beobachteten also eine Messkurven, die sich mit kürzeren Peri nach unten. Auf diese Weise entsteht WWW.SPEKTRUM.DE 19
- 20. aber – unddas ist der Clou – mit einer einträchtigt. Diese Information zeigt gewissen Wahrscheinlichkeit ein Pola somit Möglichkeiten auf, den Wir ronenpaar mit antiparallelen Spins, das kungsgrad zu verbessern. Die Polaro ein Bipolaron bilden kann, was die Blo nenblockade ließe sich zum Beispiel ckade aufhebt. durch das Einbringen von Zentren ver Dadurch ergibt schon ein Mikrowel hindern, die fähig sind, den Polaro lenpuls, der halb so lang ist wie der für nenSpin durch magnetische Wechsel eine Spindrehung um 180 Grad, ein wirkung schnell zu verändern. Solche Maximum im Stromtransport. In der »SpinBrecher« könnten Plastiksolar Messkurve äußert sich das als Oszilla zellen mit deutlich höherem Wirkungs tion mit der doppelten Frequenz. Tat grad ermöglichen. sächlich konnten wir beobachten, wie aus den ursprünglichen Maxima zu Jan Behrends, Alexander Schnegg und Klaus nehmend Doppelhöcker wurden, wenn Lips sind promovierte physiker und forschen wir die Pulsintensität steigerten. über organische solarzellen. Behrends arbeitet Unsere Messungen zeigen also klar, an der freien universität Berlin, schnegg am dass sich positiv geladene Polaronen institut für silizium-photovoltaik des helm- paare auf den Polymeren bilden kön holtz-Zentrums Berlin für Materialien und nen, die den Stromtransport behin energie (hZB). Klaus Lips ist stellvertretender dern, was die Effizienz der Solarzelle be Leiter dieses instituts. NEURoBIologIE Einblicke in das politische Gehirn EinForscherteamunterBeteiligungvonoscar-PreisträgerColinFirthzeigte: UnterschiedlichepolitischeEinstellungenlaufenHandinHandmitAbwei- chungeninderHirnstruktur. VoNPATRICKSPäT M it dem Film »The King’s Speech« stotterte er sich zum Oscar, jetzt ging er unter die Hirnforscher: Der bri lesen kann. Gefragt, getan: Nachdem sich zwei Abgeordnete des britischen Parlaments, der konservative Thatcher tische Schauspieler Colin Firth wirkte Anhänger Alan Duncan und der linksli kürzlich an einer wissenschaftlichen berale Labourpolitiker Stephen Pound, Studie mit, die bei Menschen unter dazu bereit erklärt hatten, ihr Gehirn schiedlicher politischer Orientierung untersuchen zu lassen, entdeckte Rees die Ausmaße verschiedener Hirnregio mit Hilfe der strukturellen Magnetreso nen verglich (Current Biology, 7. April nanztomografie tatsächlich Unterschie 2011, 10.1016/j.cub.2011.03.017). de im Aufbau der beiden Denkorgane. Auslöser der ungewöhnlichen Kon Doch für eine wissenschaftlich trag stellation war ein Auftritt von Colin fähige Aussage genügt es natürlich Firth bei BBC Radio 4, wo er den Hirnfor nicht, nur zwei Gehirne miteinander zu scher Geraint Rees traf, seines Zeichens vergleichen. Daher entschloss sich Pro Leiter des Instituts für kognitive Neuro fessor Rees kurzerhand, 90 Versuchs wissenschaft am University College personen nacheinander in den Scanner London. Der Schauspieler wollte dabei zu schicken. Und tatsächlich bestätig von Rees wissen, ob man die politische ten sich die Befunde von Duncan und Haltung eines Menschen im Gehirn ab Pound: Bei Linksliberalen nimmt der so SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 21. springers einwürfe genannte anteriorezinguläre Kortex Wasser entmystifiziert (ACC) im Schnitt ein deutlich größeres Volumen ein als jener von Konserva Keine auffälligen Strukturen an der Grenze zu Luft tiven; diese wiederum weisen eine ver größerte rechte Amygdala (Mandel kern) auf. Laut Studien ist der ACC vor allem W asser ist eine besondere Flüssigkeit. Ohne sie gäbe es kein Leben, wie wir es kennen. Darum sind Exobiologen so begierig, Wasser auf anderen Himmels- körpern zu entdecken. Viele seiner Eigenschaften lassen sich durch die Molekülstruk- dann gefordert, wenn wir Entscheidun tur von H2O erklären: zwei Wasserstoffatome, die in stumpfem Winkel an einem gen treffen und Fehler vermeiden müs Sauerstoffatom hängen. Diese Asymmetrie in Verbindung mit einer ungleichen La- sen, etwa bei widersprüchlichen Infor dungsverteilung macht Wassermoleküle zu elektrischen Dipolen. Dadurch neigen sie mationen oder anderen Unsicherhei dazu, sich zu vergänglichen Aggregaten zusammenzulagern. ten und Konflikten. Und auch wenn wir Dieser Hang zur Clusterbildung hat oft zu Spekulationen angeregt. Schon der uns in andere Menschen hineinfühlen deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923), berühmt als Entdecker der und Mitleid empfinden, ist der ACC nach ihm benannten Strahlen, mutmaßte, Wasser bestehe aus zwei Komponenten: maßgeblich beteiligt. Die Amygdala Im flüssigen Milieu trieben mikroskopische Eisberge. Ähnliche Ideen über ein kom- hingegen spielt eine wichtige Rolle bei plexes Innenleben von Wasser tauchen seither immer wieder auf. der emotionalen Bewertung von äuße Manche Wissenschaftler glauben, die lebensfreundliche Flüssigkeit ändere ihr ren Reizen, indem sie die Freisetzung Verhalten, wenn sie mit biologischen Substanzen in Berührung kommt. In lebenden von Stresshormonen beeinflusst. Sie ist Zellen ordne sie sich etwa zu »zellulärem« oder »vizinalem« Wasser, wobei sogar insbesondere dann aktiv, wenn wir uns Quanteneffekte ins Spiel kommen sollen. Auf diese Weise, heißt es, fördere Wasser bedroht fühlen. Ob ein Erlebnis in un unter anderem die Bildung biologischer Makromoleküle. serem Langzeitgedächtnis gespeichert wird, hängt oft davon ab, welchen emo Eine in alternativmedizinischen Internetforen heiß debattierte Variante ist ein ver- tionalen Wert die Amygdala diesem Er meintliches »Gedächtnis« des Wassers. Es speichert angeblich die Gestalt von Biomo- lebnis beimisst. lekülen, selbst nachdem sie durch Verdünnen völlig entfernt worden sind. Wenn sich Damit sehen sich die Hirnforscher das empirisch erhärten ließe – was bisher misslang –, ergäbe es einen Ansatzpunkt nun prinzipiell in der Lage, anhand ge für einen naturwissenschaftlich begründeten Wirkmechanismus der Homöopathie. scannter Gehirne die politische Hal Von solchen Ideen hält Pavel Jungwirth gar nichts (Nature 474, S. 168 – 169, 2011). tung von Probanden vorherzusagen. Der tschechische Biochemiker begrüßt denn auch die Arbeit eines amerikanisch-ka- Allerdings: Warum Menschen auf dem nadischen Teams um Igor V. Stiopkin, das die Wasseroberfläche genau unter die Lupe Stimmzettel unterschiedliche Kreuze genommen hat (Nature 474, S. 192 – 195, 2011). An der Grenze zwischen Wasser und setzen, zeigt das Experiment nicht wirk Luft, so die Überlegung der Forscher, müsste sich doch offenbaren, ob die Flüssigkeit lich – sondern nur, dass die politische ihre mikroskopische Struktur ändert, sobald sie mit anderen Substanzen, in dem Fall Gesinnung mit bestimmten Auffällig mit Luft, in Berührung kommt. keiten in unseren Hirnstrukturen Hand Stiopkin und seinen Kollegen gelang es, die Streck- und Stauchschwingungen der in Hand geht. Immerhin bestätigen Wassermoleküle an der Oberfläche zu analysieren, indem sie schweres Wasser bei- die Arbeiten andere Studien, wonach mengten, das statt Wasserstoff das Isotop Deuterium enthält. Aus dem Spektrum der konservative Personen tendenziell sen von den Vibrationen erzeugten Infrarotstrahlung schlossen sie auf die Lage der Ober- sibler auf Angst einflößende Umwelt flächenmoleküle und auf die Stärke ihrer Bindung an tiefere Flüssigkeitsschichten. faktoren reagieren und Bedrohungen Das Ergebnis erfreut Jungwirth: Die Oberflächenschicht erweist sich tatsächlich leichter erkennen. als nur ein Molekül dick. Zwar erzeugen die obersten Wassermoleküle im Spektrum Eine entscheidende Frage nach Hen ein Signal, das eine quasi in die Luft ragende freie Wasserstoffbindung anzeigt; aber ne und Ei ist allerdings weiterhin unge schon die unmittelbar darunter liegenden Moleküle sind durch Wasserstoffbrücken klärt: Prägen genetische Baupläne un lose miteinander verbunden, wie es sich für normales Wasser gehört. Eine irgendwie sere Hirnstruktur und darüber unsere auffällige, auch nur wenige Moleküle dicke Zwischenschicht, die durch ihre Randlage politische Einstellung? Oder beeinflus knapp unter der Oberfläche verändert wäre, gibt es nicht. sen vor allem unsere Erziehung und an Das ist zwar ein schwerer Schlag für alle Spekulationen dere kulturelle Einflüsse die Anatomie über ein Sonderverhalten an Grenz- und Kontaktflächen. Aber des Gehirns? Wer auf diese Frage eine auch als passives Medium für Lebensvorgänge wirkt Wasser wirklich abschließende Antwort fände, segensreich genug. Ob als Regen, Meer, Schnee oder Wolken – bekäme zwar sicher keinen Oscar – aber keine Substanz prägt unseren Blauen Planeten so umfassend möglicherweise den Nobelpreis. wie das Leben spendende Nass. Dass es auch noch Biomole- küle formen und sich deren Gestalt merken soll, wäre wohl Michael Springer Patrick Spät ist promovierter philosoph und wirklich zu viel verlangt. freier Journalist in Berlin. WWW.SPEKTRUM.DE 21
- 22. TRoPENKRANKHEITEN NeueWaffengegen Malaria Endlich geben neue Impfstoffe Anlass zur Hoffnung. Daneben verfolgen Forscher verblüffende Strategien, um die tödliche Tropenkrankheit auszumerzen. Statt Menschen immunisieren sie – die Moskitos. Von Mary Carmichael G enau in diesem Augenblick arbeiten Wissen bieten, könnte er Millionen das Leben retten, vor allem Kin schaftler an Substanzen, mit denen sich mögli dern und Schwangeren. Es wäre die erste wirksame Vakzine cherweise der gefährlichste Krankheitserreger gegen einen Parasiten des Menschen – eine nobelpreisver der Menschheit ausrotten lässt: Plasmodium dächtige Entdeckung. falciparum, der Verursacher der Malaria. Mehrere viel ver »Wenn alles gut läuft, kann schon in fünf Jahren der ers sprechende Impfstoffe sind derzeit in Entwicklung; einer te Impfstoff bei sechs bis zwölf Wochen alten Säuglingen davon befindet sich sogar bereits im fortgeschrittenen Sta routinemäßig zur Anwendung kommen«, erklärt Joe Co dium der klinischen Prüfung beim Menschen. Sollte einer hen, einer der weltweit führenden Malariaforscher. »Das ist dieser Stoffe auch nur teilweise Schutz vor der Infektion ein fantastischer Erfolg; wir sind alle sehr stolz darauf.« Regina Rabinovich hingegen möchte nicht so recht in den Jubel mit einstimmen. Die promovierte Medizinerin auf einen blick leitete eine Zeit lang die PATH Malaria Vaccine Initiative in Washington D. C. und ist derzeit Direktorin des Infectious Disease Program der Bill Melinda Gates Foundation. Fragt SToPPDEMgEFäHRlICHSTENPARASITEN DERWElT man sie nach den Fortschritten der Malariaforschung in den vergangenen Jahren, zögert sie zunächst einmal. 1 Bei der Entwicklung von Impfstoffen gegen die Malaria gab es immer wieder herbe Rückschläge. Dank technologischer Verbesserungen könnten neue Vakzine den Menschen in gefähr- Zwar organisiert Rabinovich eines der weltweit größten Förderprogramme für die Erforschung und Entwicklung deten Regionen bald lebenslange Immunität gewährleisten. von Malariaimpfstoffen. Dennoch lässt sie nicht mehr ver 2 Vor Kurzem begannen groß angelegte Studien zur Wirksam- keit eines Impfstoffs, dessen Entwicklung schon in den 1980er Jahren begann. Mediziner hoffen, dass er die Infektionsrate zu- lauten, als dass »im Moment manches im Gang ist«. Auf Nachfragen räumt sie ein, dass mehrere Impfstoffe sich ver mindest halbieren kann. mutlich als nicht brauchbar erweisen werden, speziell eini ge, die sich noch in frühen Entwicklungsstadien befinden. 3 Daneben erproben Forscher Impfstoffe auf der Basis abge- schwächter Parasiten und versuchen, nicht die Menschen zu immunisieren – sondern die Anopheles-Mücke. An das Auf und Ab von Hoffnung und Enttäuschung sind Malariaforscher nur allzu sehr gewöhnt. Mit einer aufwän digen Kampagne gelang es in den 1960er Jahren, die Erkran 24 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 23. BIologIEMEDIzIN Corbis / Eva-Maria PasiEka Die Anopheles-Mücke über- trägt den Malariaerreger, der in weiten Teilen der Tropen Menschen mit Krankheit und Tod bedroht. WWW.SPEKTRUM.DE 25
- 24. kung in vielenTeilen der Erde auszurotten und in anderen Gegenden zumindest stark zurückzudrängen. Doch dieser Drei viel versprechende Strategien Erfolg barg bereits den Keim des Scheiterns in sich: Kaum schwand die Bedrohung durch die Malaria, wurden die Ge der Impfstoffentwicklung sundheitsbehörden in vielen Ländern nachlässig. Und als sich dann auch noch herausstellte, dass die wichtigste Waffe Seit Jahrzehnten schon versuchen Forscher, einen Impfstoff zu im Kampf gegen die Seuche – das Insektizid DDT (Dichlor entwickeln, der zuverlässig lebenslange Immunität gegen die diphenyltrichlorethan) – Vögel stark schädigt, wurde die Malaria erzeugt und auf diese Weise die Erkrankung ausrottet – Kampagne weit gehend eingestellt. Die Malaria kehrte zu bislang vergeblich. Der komplexe Lebenszyklus des Parasiten er- rück, und es erkrankten mehr Menschen als je zuvor. Zudem schwert es, geeignete Ansatzpunkte für die Impfstoffentwick- hatten sich viele Wissenschaftler inzwischen anderen Fragen lung zu finden. In den letzten Jahren jedoch besserten sich zugewandt, weshalb die Impfstoffforschung stagnierte. die Erfolgsaussichten angesichts aufgestockter För- Es ist erstaunlich und zugleich beschämend, dass die Ma dergelder und einer Reihe innovativer Ideen. lariaforschung so lange vernachlässigt wurde und den Wis Die Abbildung stellt drei verschiedene senschaftlern die nötigen Mittel dazu fehlten. Andererseits Vorgehensweisen vor. Die Antikörper ist leicht zu erkennen, weshalb viele die Hoffnung auf Erfolg 2 blockierenDarm Enzym im das aufgegeben hatten. Die Malaria ist eben ein besonders zäher, der Moskitos. Daher können schwer angreifbarer Gegner. Bis vor Kurzem war noch nicht sich die Gametozyten nicht einnisten und gehen zu Grunde. einmal der Lebenszyklus des Parasiten im Detail bekannt. Die Erreger gelangen als so genannte Sporozoiten beim Stich Aminopeptidase eines Moskitos aus dessen Speicheldrüsen in den Blutkreis lauf des Menschen, reifen in dessen Leber heran und wan dern anschließend erneut in die Blutgefäße. Dort vermehren normale sie sich und werden dann von anderen Moskitos beim Blut Situation saugen wieder aufgenommen (siehe Grafik rechts). Oozyste Ein erster vergeblicher Anlauf Eine kleine Gruppe von Forschern der Firma GlaxoSmith 1 Menschen, denen männliche ein Fragment des Keimzelle Kline (GSK) unternahm Mitte der 1980er Jahre einen ersten Mückenenzyms Amino- ernsthaften Anlauf, einen Impfstoff herzustellen. Sie ver peptidase gespritzt weibliche wurde, bilden Antikörper, Keimzelle wendeten dazu ein Oberflächenprotein von Plasmodium fal- die das Enzym binden. Ein Moskito nimmt die ciparum, dem Erreger der vor allem in Afrika weit verbreite Antikörper beim Stechen 5 Im Darmtrakt der Moskitos ten und häufig tödlich verlaufenden Malaria tropica. Doch mit dem Blut auf – bei entwickeln sich die Malariapatienten zu- Gametozyten zu Ga- der Versuch scheiterte, und die Erkrankung kostete weiter je sammen mit Erregern im meten (Keimzellen). des Jahr rund eine Million Menschen das Leben. Gametozytenstadium. Diese verschmelzen zur Oozyste, aus der Heute finden die Impfstoffentwickler glücklicherweise zahlreiche Sporo- Gametozyt weit bessere Bedingungen vor. Dank einer Reihe technolo zoiten hervor- gehen – der Zyklus gischer Innovationen und massiver finanzieller Unterstüt beginnt von vorn. aufgenommene zung – in erster Linie von der Gates Foundation, die seit Antikörper e r männlicher 1994 insgesamt 4,5 Milliarden Dollar in die Impfstofffor ng d ieru Gametozyt schung investiert hat und diesen Betrag im Lauf der nächs u n i ss k i t o s Imm M o ten zehn Jahre auf zehn Milliarden Dollar erhöhen will – weiblicher Gametozyt laufen heute Dutzende von Projekten zur Entwicklung von Malariaimpfstoffen. Die meisten befinden sich allerdings Verhinderung der Übertragung noch in frühen Stadien. Nach der Impfung produziert der Mensch Anti- In der Zwischenzeit haben auch die Wissenschaftler bei körper, die Moskitos beim Blutsaugen auf- nehmen. Im Verdauungstrakt der Mücke GSK ihren Impfstoffkandidaten fortlaufend verbessert. Nach blockieren die Antikörper ein Enzym, das der dem sich ihre überarbeitete Vakzine namens RTS,S in Stu Parasit zur Weiterentwicklung benötigt. Die Erreger können sich in den Moskitos nicht dien als sicher erwiesen hat, kann sie nun endlich an mensch vermehren und damit nicht an andere Menschen lichen Patienten klinisch geprüft werden. Derzeit finden an weitergegeben werden. elf Orten in Afrika groß angelegte »randomisierte« Studien statt. Dabei erhalten die Teilnehmer zufallsgesteuert ent weder den Impfstoff oder ein wirkungsloses Placebo. Dieser Malariaimpfstoff ist der bislang einzige, der dieses Stadium der klinischen Entwicklung erreicht hat. 26 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 25. Abgeschwächte Malariaerreger Attenuationist eine gängige Methode, um Impfstoffe herzustellen: Dabei wer- den Infektionserreger so weit geschädigt, dass sie zwar noch leben, aber keine Erkrankung mehr hervorrufen. Impfstoffe aus solchen attenuierten Erregern können eine starke Immunantwort auslösen. Wissenschaftler nutzen diesen Ansatz zur Entwicklung einer Malariavakzine. Sie bestrahlen die Parasiten im Sporozoitenstadium, präparieren sie aus den Mücken er heraus und verwenden sie als Impfstoff. Zwar dringen die abge- lad schwächten Erreger bis in die Leber des Geimpften vor, sie können bo sich dort aber nicht weiterentwickeln und sterben ab. In ersten ur tT Studien beim Menschen wirkte der Impfstoff zu 100 Prozent. mi 1 Fragmente von ff sto Oberflächenproteinen normaler Sporozoiten pf Impfstoff Im werden zu Komplexen zusammengefügt. ober- aus Mosk flächen- protein 1 Genetisch ver- änderte oder bestrahlte Parasiten itos werden im Darm von Mücken gezüchtet. 2 Die ab- geschwächten Parasiten werden herauspräpariert. 2 Ein hinzu- gefügtes Ad- juvans verstärkt die Immunantwort, in- dem es mehr B-Zellen Antigen- (Antikörperproduzen- komplex ten) und T-Zellen für die Sporozoit Immunreaktion rekru- 3 Der daraus tiert. 1 Während der Moskito Blut saugt, überträgt gewonnene Impfstoff ruft eine er Sporozoiten: Entwick- Immunantwort hervor, lungsstadien des Para- die den Geimpften vor siten, die Menschen künftigen Infektionen Adjuvans infizieren können. schützt. Leber k i to im M 2 Die Sporozoiten dringen in Leberzel- zerstörte os en s Leber- oEy M len des Menschen ein, und M ar ia H wo sie sich asexuell ver- zelle r ch PE t E im 3 Die Impfung löst en mehren und tausende eine Immunantwort Der Lebenszyklus Merozoiten bilden. aus, die zumindest einen des Malariaerregers teilweisen Schutz vor Plasmodium 3 Freigesetzte Me- Malaria verleiht. rozoiten dringen in rote Blutkörperchen ein und vermehren sich dort. Nach Zerplatzen der infizierten Zellen be- Mero- Eine weitere Injektion fallen die frei werdenden zoite 4 eineinhalb Jahre nach Merozoiten wieder neue Zel- der Erstimpfung len. Folge: Fieberschübe mit verstärkt die Immunität. Schüttelfrost sowie 4 Einige zunehmende Merozoiten verwandeln sich in Anämie Gametozyten, die von Moskitos beim Blutsaugen auf- rotes Blut- genommen werden. körperchen Verstärkung durch Adjuvans Eine von einem großen Pharmakonzern entwickelte Vakzi- ne gegen den Malarieerreger Plasmodium falciparum befindet sich in einer fortgeschrittenen Phase der klinischen Prüfung. Da sich eine frühere Version dieses Impfstoffs als wenig wirksam erwiesen hatte, wurde die Immunantwort durch Zugabe eines Hilfmittels (Adjuvans) verstärkt. Ersten Studien zufolge re - duziert der neue Impfstoff das Infektionsrisiko um die Hälfte. WWW.SPEKTRUM.DE 27
- 26. RTS,S beruht nachwie vor auf dem gleichen Protein von aP PHoto / karEl Prinsloo P. falciparum wie in den 1980er Jahren: dem Sporozoiten Hüllprotein (englisch circumsporozoite protein, CSP). Damals wurde es für sich allein als Antigen eingesetzt – als derjenige Bestandteil des Impfstoffs, der die Produktion von Antikör pern oder andere Immunreaktionen auslöst, die dann den Parasiten abtöten sollen. Doch reagierte das menschliche Im munsystem zunächst nicht wie erhofft. Die nächsten 20 Jah re verbrachten die Forscher damit, den Impfstoff völlig neu zu konzipieren. Um eine stärkere Reaktion des Körpers her vorzurufen, konstruierten sie Komplexe aus vielen einzelnen der Antigene. »Dahinter stand die Idee, das Antigen mehr wie den echten Krankheitserreger aussehen zu lassen«, sagt Co hen, der die Entwicklung von RTS,S entscheidend vorantrieb. Zwar reagierte der Körper geimpfter Probanden tatsäch Die Generalprobe: Ein Arzt prüft die Wirksamkeit eines Impfstoffs lich stärker auf diese neue Form des Impfstoffs, jedoch im in klinischen Studien in Afrika. mer noch nicht genug, um einen ausreichenden Schutz ge gen die Erkrankung aufzubauen. Dieses Problem tritt auch bei der Entwicklung von Impfstoffen gegen viele andere muss eine Vakzine zu mindestens 80 Prozent wirken, damit Krankheiten auf. Nach 15 Jahren gelang es den Forschern sie für den flächendeckenden Einsatz zugelassen wird. Im schließlich, mit Hilfe eines zugegebenen Hilfsstoffs die An Fall von RTS,S zeigen selbst die günstigsten Daten aus den zahl der Antikörper produzierenden BZellen kräftig zu erhö Studien der Phase II nur eine Reduktion der Erkrankungsrate hen. Das so genannte Adjuvans aktiviert zusätzlich TZellen, um etwa die Hälfte. Da Malaria jedoch eine solch verheerende die im Körper viele wichtige immunologische Funktionen Seuche darstellt und der neue Impfstoff deutlich weiter ent ausüben und die Antikörperproduktion steigern. wickelt ist als andere Kandidaten, erscheint eine 50prozen Diese optimierte Form des Impfstoffs wird zurzeit in der tige Erfolgsquote als vorerst gut genug – entspricht dies doch bislang größten klinischen Studie einer Malariavakzine ge bis zu 500 000 geretteten Menschenleben pro Jahr. prüft. Insgesamt wurden 16 000 Säuglinge und Kleinkinder Kleinkinder sind die am stärksten gefährdete Bevölke im Alter von 6 Wochen bis 17 Monaten geimpft. Im Lauf des rungsgruppe: Ihr Körper kann der Krankheit nicht viel entge Jahres ist mit ersten Daten zu rechnen. Bei viel versprechen gensetzen, während ältere Kinder und Erwachsene nach wie den Ergebnissen müsste man als Nächstes die Auswirkungen derholten Infektionen eine gewisse Immunität aufbauen des Impfstoffs bei routinemäßiger Anwendung erfassen, er und mit zunehmendem Alter weniger schwer erkranken. klärt Christian Loucq, Leiter der PATH Malaria Vaccine Initia Selbst wenn sie überleben, tragen sie oft dauerhafte neurolo tive, die neue Studien organisiert. gische Schäden davon. Daher würde auch eine nur teilweise wirksame Impfung nützen – sollten sich geimpfte Kinder Eine 50-prozentige Erfolgsquote ist dennoch infizieren, würde die Malaria wohl zumindest mil zunächst einmal gut genug der verlaufen und nicht zum Tod führen. Der Nutzen einer effektiven Malariaimpfung wäre enorm: Die Weltgesundheitsorganisation WHO und UNICEF imp Hunderttausende von Menschen könnten jedes Jahr vor dem fen afrikanische Kinder bereits gegen andere Krankheiten Tod bewahrt werden – vorausgesetzt, der Impfstoff findet wie Polio (Kinderlähmung) und Diphterie. Dies geschieht breite Anwendung. Allerdings gibt es hier zwei mögliche Hin etwa im gleichen Alter – um den dritten Lebensmonat he dernisse. Das erste ist die Geldfrage. Die Entwicklung der Vak rum –, in dem sie idealerweise auch RTS,S erhalten sollten. zine bis zur Marktreife kostet mehrere hundert Millionen »Wir würden die Malariavakzine gerne in diese Impfpro Dollar, weshalb der Impfstoff für die Routineanwendung in gramme einbinden«, sagt Cohen. »Vielleicht können wir uns den Entwicklungsländern womöglich zu teuer wird. Glaxo einfach an die anderen Impfungen anhängen.« Das würde SmithKline hat jedoch angekündigt, den Preis knapp zu kal den Weg vom Labor zum Geimpften verkürzen und die Kos kulieren; die Gewinnspanne soll bei lediglich fünf Prozent ten niedrig halten, da kein neues Verteilungsnetzwerk aufge liegen. Das Unternehmen hofft, dass internationale Konsor baut werden müsste. »Allerdings gilt es jetzt sicherzustellen, tien und Organisationen wie UNICEF und die Global Alliance dass die nötigen Strukturen vor Ort vorhanden sind«, erklärt for Vaccine and Immunization den Impfstoff kaufen und in Cohen. »Das wird nicht ganz einfach werden.« Zumal derzeit jenen afrikanischen Ländern verteilen werden, in denen er noch unklar ist, wie oft die Kinder Auffrischimpfungen er am dringendsten benötigt wird. halten müssten. Ein zweites Problem besteht darin, dass RTS,S trotz Ad Hinzu kommen zwei weitere Probleme. Erstens wurde juvanzien wahrscheinlich weniger effektiv sein wird als üb RTS,S nur gegen die afrikanischen Plasmodienstämme ent liche Impfstoffe gegen andere Krankheiten. Normalerweise wickelt. Der Impfstoff schützt nicht vor Infektionen mit 28 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 27. Stämmen, die aufanderen Kontinenten vorherrschen. Zwei fleißig Antikörper, und die sorgen für lebenslangen Schutz. tens kann diese Vakzine auf Grund ihrer eingeschränkten Ef Forscher der amerikanischen Marine entdeckten dieses Phä fizienz auch die afrikanische Malaria tropica nicht komplett nomen schon in den 1970er Jahren. Aber erst zwei Jahrzehnte ausrotten. Um das zu erreichen, müssten die Wissenschaftler später begannen Wissenschaftler, es näher zu untersuchen. den Impfstoff erneut verändern oder ihn zusammen mit ei Zwei von ihnen – Stefan H. Kappe vom Seattle Biomedical Re nem anderen Präparat verabreichen. search Institute und Stephen L. Hoffman, Geschäftsführer Forscher bei GSK erwägen daher nun eine »PrimeBoost« des BiotechnologieUnternehmens Sanaria in Rockville, Ma Strategie für die nächste Optimierungsrunde von RTS,S. Es ryland – betreiben heute Moskitozuchtlabors, in denen be handelt sich dabei um ein zweistufiges Impfschema, bei handschuhte Mitarbeiter rund um die Uhr damit beschäftigt dem sowohl die Erst als auch die Verstärkerimpfung das CSP sind, aus den Speicheldrüsen der Mücken abgeschwächte enthalten sollen. Die beiden Vakzinen würden das Antigen Plasmodien zu gewinnen. Diese sollen als Grundlage für jedoch in unterschiedlicher Weise präsentieren, was die neue Impfstoffe dienen. Immunantwort verstärken sollte. Bislang fanden hierzu aller dings nur Tierversuche statt. Wenn es genauso lange dauert, Genetische Manipulation die zweistufige Impfung zu optimieren wie den aktuellen stoppt den Vermehrungszyklus in der Leber RTS,S zu entwickeln, würden weitere 15 Jahre ins Land gehen, Wie lässt sich das Erbgut der Plasmodien schädigen, bevor sie bis sich eine voll wirksame Version als Routineimpfung etab sich in den Körpern der Moskitos vermehren? Zwei Wege bie liert. »Aber wer weiß, was die Forscher in diesem Zeitraum ten sich an. Die Forscher in Seattle zerstören gezielt bestimm sonst noch alles entdecken werden?«, merkt Cohen an. te Gene, die es dem Parasiten überhaupt erst ermöglichen, in Abgesehen von der momentan noch unzuverlässigen der menschlichen Leber auszureifen. Ohne diese DNA bleibt RTS,SImpfung gibt es derzeit nur eine andere Methode, um die Entwicklung der Plasmodien vorzeitig stehen. »Sie kom gegen die Malaria immun zu werden, ohne zu erkranken: men zwar in die Leber hinein, aber nicht mehr heraus«, Man lässt sich von sehr vielen Moskitos stechen, die ge bringt Kappe es auf den Punkt. schwächte Plasmodien mit geschädigtem Erbgut in sich tra Zurzeit inaktiviert sein Team nur zwei Gene, mit deren gen. Diese Parasiten gelangen zwar über den Blutstrom in die Hilfe der Parasit normalerweise eine Hülle aufbaut, während Leber, aber statt dort zu reifen und dann das Blut zu über er sich in den Leberzellen einnistet. Diese Membran scheint schwemmen, bleiben sie in ihrer Entwicklung stecken und zu verhindern, dass die Leberzellen die Infektion erkennen. sterben ab. Dennoch produziert das Immunsystem derweil Bei Parasiten ohne Schutzhülle sterben die infizierten Leber Wo die Malaria zu Hause ist Das 2005 gegründete »Malaria Atlas Project« (www.map.ox. Bild zeigt, welche Weltregionen am häufigsten von der gefähr- ac.uk), an dem die University of Oxford, das Kenya Medical Re- lichsten Art des Malariaerregers, Plasmodium falciparum, heim- search Institute und der Wellcome Trust beteiligt sind, erfasst gesucht werden. Zu Grunde liegen die Prozentzahlen von Men- Tausende von lokalen Erhebungen der Parasitenhäufigkeit, um schen, die den Parasiten in sich tragen – gleichgültig, ob sie das jeweilige regionale Ansteckungsrisiko zu bestimmen. Das Symptome zeigen oder nicht. vernachlässigbares Risiko geringes Risiko mittleres Risiko hohes Risiko GeorGe retseck, nach: hay, s. et al.: a World Malaria Map: plasModiuM falciparuM endeMicity in 2007. in: plos Med 6, 2009 WWW.SPEKTRUM.DE 29
- 28. zellen ab, sodass die Erreger nicht reifen können. Kappes Diese Methode wird von Stephen L. Hoffman bei Sanaria Team verabreichte mehreren hundert Mäusen den Impfstoff verwendet. Ihr Vorteil: Sie verändert die DNA der Plasmodien aus derart geschwächten Parasiten – darunter auch gentech an vielen Stellen statt nur in zwei einzelnen Genen. Mög nisch veränderten Tieren, die menschliche Leberzellen in licherweise ist dies ein zuverlässigerer Weg, die Weiterent sich trugen. wicklung des Parasiten in der Leber vollständig zu unter Mit großem Erfolg: Die Forscher erzielten einen 100pro binden. Parallel verfolgt Hoffman daneben allerdings auch zentigen Schutz gegen eine Malariainfektion. Die Leber wird die gezielte Vorgehensweise. Erst wenn beide Techniken em dabei nicht geschädigt, denn nur rund 10 000 Parasiten ge pirisch getestet sind, wird sich herausstellen, welche besser langen überhaupt in den Körper. Selbst wenn sie alle die ist, so Hoffman: »Die klinische Studie ist durch nichts zu er Leber erreichten und jeder eine Leberzelle abtötete, wäre der setzen.« Verlust im Verhältnis zur Größe des Organs mit seinen Milli Diese Erkenntnis wurde Hoffman im vergangenen Som onen Zellen vernachlässigbar. Ganz abgesehen davon, dass mer überaus deutlich vor Augen geführt, als er erste Impf die Leber eine hohe Regenerationsfähigkeit besitzt. studien mit bestrahlten Sporozoiten durchführte. Die Food and Drug Administration der USA (FDA) hatte Sanaria die Bereitwillige menschliche Versuchskaninchen Genehmigung für Versuchsreihen mit 100 Probanden er Im Rahmen einer klinischen Pilotstudie sollen sich nun 20 teilt. Hoffman glaubte damals, ein Moskito injiziere zwi menschliche Probanden, die zuvor mehrfach mit den abge schen fünf und zehn Plasmodien pro Stich, wenn es Malaria schwächten Plasmodien geimpft wurden, von jeweils fünf auf den Menschen überträgt. Auf dieser Schätzung basierte Moskitos stechen lassen, die echte Malariaerreger über auch die Anzahl der Parasiten in seinem Impfstoff. Erst spä tragen. Bei einer erfolgreichen Infektion würden die Plas ter stellte sich heraus, dass ein Moskito mit einem einzigen modien eine behandlungsbedürftige Erkrankung auslösen. Stich etwa 300 bis 500 Parasiten überträgt. »Die Plasmo Dann gehen alle Probanden eine Woche lang ihrem norma diendosis in unserer Studienvakzine war etwa zehnmal zu len Alltag nach, worauf sie sorgfältig untersucht werden. Soll niedrig«, erklärt Hoffman. »Das wurde uns aber erst klar, als te keiner an Malaria erkrankt sein, wäre dies ein Beweis dafür, die Studie schon zur Hälfte gelaufen war, und zu diesem dass der Impfstoff wirkt. Etwaige Befallene würden sofort Zeitpunkt ließ sich am Studiendesign nichts mehr ändern.« medikamentös behandelt werden. »Dass wir mit echten Ma Immerhin bot selbst diese niedrige Impfdosis einen gewis lariaerreger arbeiten können, macht die Studien besonders sen Schutz gegen Malaria, ohne jedoch die Effektivität von aussagefähig«, sagt Kappe. »Mit HIV oder anderen nicht heil RTS,S zu erreichen. baren Infektionskrankheiten geht das natürlich nicht; hier Eine Zeit lang war Hoffman wegen dieser Ergebnisse recht jedoch können wir die Probanden wirksam behandeln, sollte niedergeschlagen. Das änderte sich, als er mit anderen Impf es zu einer Infektion kommen. Trotzdem sind wir erstaunt, spezialisten und Biotechnologen sprach, die allesamt en wie bereitwillig die Menschen an solchen Studien teilneh thusiastisch reagierten. »Es ist doch fantastisch, was Sie da men. Sie haben überhaupt keine Angst!« gemacht haben«, ermutigten sie ihn. »Oder dachten Sie Die andere Methode, das Erbgut von Malariaerregern zu etwa, Sie seien ein Magier, wenn Sie hofften, auf Anhieb ei schädigen, ist die althergebrachte radioaktive Bestrahlung. nen kompletten Impfschutz zu erzielen? So läuft das nicht in der Wirklichkeit.« Hoffman möchte nun eine neue Stu die beginnen. Er hat die Konzentration der Plasmo dien in seinem Impfstoff erhöht und ver abreicht ihn jetzt auch auf einem an deren Weg. Es ist allerdings nicht völlig ausge schlossen, dass es schlicht zu komp liziert ist, Menschen wirklich effektiv gegen Plasmodien zu immunisieren. Wie steht es dann mit dem Dritten im Bunde – dem Moskito? Jeder Impfstoff muss den Übertragungszyklus der Malaria irgendwo unterbrechen, aber bisher wurde ein möglicher Ansatzpunkt vernachlässigt: jener Moment, in dem die Mücke einen infizierten Menschen sticht und dabei die Para siten aus dessen Blut aufnimmt. Würde man deren weitere Entwicklung im Körper des Moskitos stoppen, so wären die Erreger außer Stande, den nächsten menschlichen Wirt zu befallen, und müssten zu Grunde gehen. Rhoel Dinglasan, ein junger Molekularbiologe von der Johns Hopkins University in Baltimore, hatte eine Idee, wie 30 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 29. man dies realisierenkönnte. Der gebürtige Philippiner, dem die Malaria aus seiner Heimat nur zu vertraut ist, forscht bis Alternativen zu Impfstoffen her lediglich an Mäusen und äußert sich entsprechend vor sichtig. Aber wenn die Strategie Erfolg hätte, würde das den Ein effektiver Malariaimpfstoff wäre die erste erfolgreiche Kampf gegen Malaria grundlegend verändern. Vakzine gegen einen Humanparasiten. Gibt es einen Plan B, Sobald der Erreger in den Körper des Moskitos gelangt, falls das Vorhaben doch noch scheitert? versucht er sich im Darm des Insekts einzunisten. Dazu be nötigt er ein bestimmtes Enzym auf der Schleimhaut des Verdauungstrakts, eine Aminopeptidase. Findet er dieses nicht innerhalb von 24 Stunden, wird er im Darm des Insekts verdaut und ausgeschieden, und das Moskito kann keine Malaria übertragen. »Zumindest stellen wir uns das so vor«, fügt Dinglasan lachend hinzu. »Bisher hat noch niemand in den Hinterlassenschaften der Moskitos nachgesehen.« Nehmen Moskitos Antikörper gegen die Aminopeptidase JoHn stanMEyEr vii auf, so sind sie vor einer Infektion mit Plasmodium falcipa- rum geschützt. Die Antikörper binden sich an das Enzym, blockieren es damit und verhindern, dass die Parasiten sich auf der Schleimhaut verankern. Dinglasan hat ein Teilstück Das im Pflanzenschutz schon lange verbotene Insektizid der Aminopeptidase isoliert, das nur bei Moskitos vor DDT lässt sich gezielt in Innenräumen einsetzen. Dadurch kommt. soll das Umweltrisiko minimiert werden. Spritzt er es in Mäuse, bilden sie dagegen Antikörper. Mü cken nehmen diese beim Stechen der Mäuse auf, werden also bei der Mahlzeit passiv immunisiert. Wie es scheint, baut ihr Verdauungstrakt die Antikörper kaum ab. Und da der Parasit im Darm der immunisierten Mücke abstirbt, wird er nicht weiter übertragen. Falls das nicht nur bei GEtty iMaGEs / PEr-andErs PEttErsson Mäusen, sondern auch beim Menschen funktionierte, so wäre das laut Loucq eine Art immunologisches Moski tonetz. Warum sollte ich mich impfen lassen – wenn ich dadurch nur andere schütze, aber nicht mich? Dieser innovative Ansatz hat jedoch seine Schattenseiten. So Moskitonetze halten die Mücken ab. Sie kosten wenig und ist es schwierig, einem Menschen zu vermitteln, dass er sich senken nachgewiesenermaßen die Infektionsrate – sofern impfen lassen soll, obwohl er selbst zunächst gar nichts da sie konsequent verwendet werden. von hat. Denn auch Geimpfte können sich infizieren, näm lich durch den Stich eines Moskitos, der zuvor eine nicht im munisierte Person gestochen hat und dadurch zum Über träger wurde. Wenn in einer Gegend genügend Menschen geimpft sind, wird die Erkrankungsrate letztlich sinken, da weniger infizierte Mücken umherfliegen. Zunächst jedoch MiCHaEl riEHlE, univErsity of arizona werden trotzdem weitere Menschen erkranken – auch ge impfte. Zudem könnte der Impfstoff Nebenwirkungen verursa chen. Dies ist zwar bei jeder Vakzine möglich, aber normaler weise überwiegt bei Weitem der Vorteil, dass die geimpfte Person nun vor einer Infektion mehr oder weniger geschützt ist. Hier nehmen jedoch Gesunde das Nebenwirkungsrisiko Der rote Fluoreszenzmarker zeigt es: Die Moskitolarve trägt auf sich, obwohl sie selbst keinen direkten Nutzen von der ein Gen, das die Mücke gegenüber dem Malariaerreger Impfung haben, nur einen indirekten durch die allgemeine resistent macht und damit auch die Übertragung auf den Reduktion der Infektionsrate. Man könnte nun argumen Menschen verhindert. Verdrängten solche Mücken nach tieren, dass dies ein zentrales Gebot der Medizin verletzt: Freisetzung ihre normalen Artgenossen, würde die Malaria die Maxime »primum nil nocere«– richte vor allem keinen allmählich verschwinden. Schaden an. WWW.SPEKTRUM.DE 31
- 30. Es gibt jedochbereits einige Präzendenzfälle, bei denen sagt Dinglasan. »Menschen haben jedoch Schwierigkeiten man Menschen impft, um andere zu schützen, beispielswei damit, Anweisungen Folge zu leisten. Die meisten Kinder se wenn sich Männer gegen das humane Papillomvirus imp schlafen tatsächlich unter den Moskitonetzen. Doch die Er fen lassen. Ihr persönliches Erkrankungsrisiko ist auch ohne wachsenen sitzen ungeschützt vor den Hütten und trinken Impfung gering, doch schützen sie dadurch ihre Sexualpart Alkohol, der sie für die Moskitos noch attraktiver macht. Und nerinnen vor durch den Virus ausgelösten Krebserkankun wenn imprägnierte Netze die in den Häusern lebenden Mü gen. Und auf lange Sicht könnte eine Vakzine, welche die cken abgetötet haben, kommen andere Moskitos von drau Übertragung der Malaria blockiert, sogar effektiver sein als ßen und besetzen die frei gewordene Nische.« ein herkömmlicher Impfstoff, der nur diejenigen schützt, die Die Malariaprophylaxe mit Medikamenten wiederum ihn selbst erhalten haben. mag für Reisende sinnvoll sein, nicht jedoch für die Einwoh ner der betroffenen Länder: Die Präparate können unange Auf dem Weg zur nehme Nebenwirkungen haben, sind teuer und müssen re endgültigen Ausrottung der Malaria gelmäßig eingenommen werden. Andere Maßnahmen, mit Die Strategie der Aminopeptidaseblockade hat mehrere Vor denen sich reichere Länder der Malaria entledigten – etwa teile gegenüber anderen Impfmethoden. Aus technischen die Trockenlegung von Sumpfgebieten und die großräumige Gründen wäre diese Vakzine wahrscheinlich leichter im Anwendung von DDT –, sind in vielen Entwicklungsländern Großmaßstab zu produzieren als RTS,S oder die in Moskitos undurchführbar. gezüchteten genmanipulierten Plasmodien. Außerdem be Auf der Suche nach neuen Möglichkeiten untersuchen sitzen alle gut 40 Moskitospezies, die Malaria übertragen Wissenschaftler derzeit das Genom der Malariaerreger so können, dasselbe Aminopeptidaseprotein. Daher sollte die wie bestimmte Abschnitte des menschlichen Erbguts, die Immunisierung auch bei allen funktionieren. Und schließ möglicherweise eine gewisse Resistenz vermitteln können. lich schützen die Antikörper offenbar sowohl gegen Plasmo- Auch scheinbar abwegige Strategien zur Malariakontrolle dium falciparum, die in Afrika vorherrschende Art, als auch werden inzwischen diskutiert, etwa die Freisetzung gentech gegen Plasmodium vivax, das in Asien häufiger vorkommt. nisch veränderter, plasmodienresistenter Moskitos, die dann RTS,S hingegen hilft nicht gegen P. vivax, da diese Spezies ein mit den normalen Mücken konkurrieren und sie verdrängen abweichendes CSP besitzt. sollen. Tests, die Dinglasan bis dato bei Mäusen durchgeführt Entscheidend für einen Erfolg ist laut Dinglasan, dass die hat, zeigten eine 100prozentige Wirksamkeit gegen P. falci- Weltgemeinschaft dauerhaft an einer Lösung des Problems parum. Bei P. vivax aus Thailand war die Impfung zu 98 Pro weiterarbeitet. »Führende Malariaforscher haben mir ge zent erfolgreich. Ein enormer praktischer Vorzug, denn ein standen, sie seien sich nicht sicher, ob es meiner Generation Malariaimpfstoff sollte möglichst universell wirken. »Es ist gelingen wird, ans Ziel zu kommen«, sagt er. »Vielleicht nämlich viel zu teuer, eine große Zahl verschiedener Impf schaffen das auch erst unsere Kinder. Werden wir so lange stoffe herzustellen«, erklärt Dinglasan. durchhalten?« Der Malariaerreger wird jedenfalls nicht so So weit ist er allerdings noch nicht. Aktuell versucht der schnell aufgeben. Ÿ Forscher herauszufinden, wie viel Antigen er im Labor maxi mal herstellen kann. Erst dann wird er über die praktische di e autori n Anwendung nachdenken: Ließe sich sein Impfstoff mit RTS,S kombinieren? Wie viel menschliches Blut müsste ein Moski Mary Carmichael schreibt regelmäßig für das amerikanische nachrichtenmagazin »news- to aufnehmen, um gegen Plasmodien immun zu werden? week« über Medizinforschung. sie erhielt Und wann erfolgt der Schritt von Versuchen mit Mäusen zu zahlreiche auszeichnungen, darunter die Casey größeren Impfstudien beim Menschen? Medal for Meritorious Journalism. derzeit ist Die ganz große Frage hinter alldem lautet jedoch: Wie sie knight science Journalism fellow am Massa- chusetts institute of technology in boston. kann man die Malaria weltweit ein für alle Mal ausrotten? Zwar lässt sich die Krankheit auch heute schon – ohne einen webli n ks effektiven Impfstoff – in Schach halten, mit Moskitonetzen und Medikamenten wie Chloroquin, Artemisinin oder Ato www.malarianexus.com vaquonProguanil. Doch dürften diese Maßnahmen nicht Wissenschaftliche Publikationen des Elsevier-Verlags zur Malaria ausreichen, um den Erreger vollständig auszulöschen. Netze www.malaria.info Hintergrundinformationen zu Malaria und Medikamenten für bekommen Löcher, Moskitos entwickeln Resistenzen gegen Reisende die Insektizide, mit denen die Netze behandelt sind, und www.who.int/topics/malaria Menschen möchten nicht immer unter engmaschigen Vor Sehr ausführliche, englischsprachige Website der Weltgesundheits- organisation (WHO) hängen schlafen. »Moskitonetze sind überaus erfolgreich, solange sie unter diesen artikel sowie weiterführende informationen finden sie im kontrollierten Bedingungen eingesetzt werden. Dann kön internet: www.spektrum.de/artikel/1072201 nen sie die Übertragung des Erregers effektiv verhindern«, 32 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 31. MAlARIAbEKäMPFUNg DerDuft derMenschen Anopheles-Moskitos, die Überträgerder lebensbedrohlichen Malaria, finden ihre Opfer dank ihres gut entwickelten Ge- ruchssinns. Jetzt haben Forscher jene Riechrezeptoren der Insekten identifiziert, mit denen diese menschlichen Schweiß wahrnehmen. Damit können sie bessere Mückenfallen und Abwehrstoffe für die Malariabekämpfung entwickeln. Von John R. Carlson und Allison F. Carey F ür ihre Suche nach einer Blutmahlzeit sind die Stech- mücken, die in Afrika südlich der Sahara Malaria ver- breiten, bestens ausgerüstet: Sie verfügen über einen außerordentlich feinen Geruchssinn, mit dessen Hilfe sie menschlichen Atem und Schweiß wahrnehmen – manchmal aus einer Entfernung von mehr als 50 Metern. Haben sie ein Opfer gefunden, stechen sie ihre kanülenähn- lichen Mundwerkzeuge in ein Blutgefäß der Haut und begin- nen zu saugen. Während der Mahlzeit gelangen Malariapara- siten aus dem Speichel der Mücke in den Blutkreislauf des Menschen – ein einziger Stich kann den Tod bringen. Weitere Moskitoarten bevorzugen andere Wirtstiere, etwa Rinder oder Vögel. Manche Mücken suchen sogar gezielt be- stimmte Individuen innerhalb einer Gruppe auf: Wohl jeder hat schon erlebt, wie einige Menschen bei einem Sommer- fest unbarmherzig immer wieder attackiert werden, andere hingegen gänzlich verschont bleiben. In den Industrieländern sind Stechmücken meist nur läs- tig, doch in Afrika und einigen anderen tropischen Regionen der Erde verursacht die Malaria jährlich fast eine Million To- desfälle. Wir und andere Forscher versuchen, den Geruchs- sinn der Moskitos besser zu verstehen – also herauszufinden, mit welchen Mechanismen sie exakt jene Komposition flüch- tiger Substanzen erkennen, die ihre bevorzugte Blutquelle Rasterelektronenmikro charakterisiert. Das Ziel ist, Mittel und Wege zu finden, diese skopische Aufnahme einer Gerüche zu maskieren oder aber das Geruchsradar der Insek- AnophelesMücke (zirka ten zu stören, um Stiche zu verhindern. 140fache Vergrößerung). Unsere Forschungen zur Frage, wie der Malariaüberträger Die Malaria übertragenden Anopheles gambiae seine menschlichen Opfer aufspürt, be- Moskitos erschnuppern gannen allerdings mit Untersuchungen an einem ganz ande- ihre menschlichen Opfer ren Insekt: der Frucht- oder Taufliege Drosophila melanogas- auch auf große Entfernung. ter. Im Gegensatz zu Moskitos vermehrt diese sich schnell, ist leicht im Labor zu halten und lässt sich genetisch einfach 34 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 32. bIologIEMEDIzIN DAvID SchARF WWW.SPEKTRUM.DE 35
- 33. auf einen blick kodieren. Im Lauf der Zeit fanden wir bei der Fruchtfliege insgesamt 60 Geruchsrezeptorgene. Zudem stellten wir fest, MAlARIAbEKäMPFUNg dass sich die Genetik des Riechsystems bei Fruchtfliegen und MITTElSDUFTSToFFEN Stechmücken sehr ähnelt. Als äußerst hilfreich erwies sich eine genetische Mutante 1 Wissenschaftler versuchen herauszufinden, wie Stechmücken den Schweiß oder die Atemluft des Menschen von anderen Gerüchen in der Natur unterscheiden. Dies ist besonders wichtig von Drosophila melanogaster, die uns durch einen glückli- chen Zufall in die Hände fiel. Im November 2001 hielt einer für die Bekämpfung der Tropenkrankheit Malaria, die von der Mücke Anopheles gambiae übertragen wird. von uns (Carlson) ein Seminar an der Brandeis University in der Nähe von Boston. Das Thema seines Vortrags war der ers- 2 Die Autoren des Artikels untersuchten Gene für Geruchsre zeptoren von Anopheles und überprüften dann deren Anspre chen auf insgesamt 110 verschiedene Duftstoffe. Einige wenige te Geruchsrezeptor der Fruchtfliege, den wir entdeckt hatten, Or22a. Danach kam ein Assistenzprofessor der Brandeis Uni- Riechrezeptoren der Moskitos erkennen hochselektiv menschliche versity zu ihm und meinte, er habe in seinem Labor eine Gerüche. Fruchtfliegenmutante, die kein Gen für diesen Rezeptor be- 3 Chemische Substanzen, die diese Rezeptoren stören oder blockieren, könnten helfen, wirksamere Mückenfallen und Abwehrstoffe zu entwickeln und so die Verbreitung der Malaria sitzt. Ob uns diese vielleicht nützen könnte? Carlson brauch- te keine Bedenkzeit. Am nächsten Tag fuhr er zurück zu un- einzudämmen. serem Labor an der Yale University, im Gepäck ein kleines Fläschchen mit einigen Exemplaren der Mutante. Eines unserer wichtigsten Ziele war damals, herauszufin- manipulieren. Ihre Eigenschaften machten Drosophila zu ei- den, welcher Rezeptor auf welchen Geruchsstoff reagiert. Ein nem Lieblingstier der Genetiker und Molekularbiologen. Wir Neuron trägt Tausende identischer Rezeptoren, aber verschie- benutzten sie, um die grundlegenden zellulären und mole- dene Neurone weisen unterschiedliche Rezeptortypen auf. kularen Mechanismen des Geruchssinns von Insekten auf- Da der Fliegenmutante von der Brandeis University ein be- zudecken. Das Wissen sollte uns dann bei Experimenten mit stimmtes Geruchsrezeptorgen fehlt, nahmen wir an, dass die den weniger pflegeleichten Mücken helfen. zugehörigen Neurone keine Rezeptoren besitzen, also sozusa- Wie Moskitos nehmen Fruchtfliegen Düfte mittels ihrer gen nackt oder leer sind – was sich als zutreffend erwies. Antennen und Maxillarpalpen wahr, die ihnen als Riechorga- ne dienen. Diese Fortsätze am Kopf der Tiere sind mit feins- Geruchsrezeptoren im Team ten Borsten bedeckt, in denen sich die Enden von auf Gerü- Mit Hilfe ausgeklügelter gentechnischer Methoden schleus- che spezialisierten Nervenzellen befinden. Duftstoffe drin- ten wir systematisch ein Geruchsrezeptorgen nach dem an- gen über Poren ins Innere der Bosten und gelangen zu den deren in diese leeren Neurone der Drosophila-Mutante ein, auf diesen Neuronen sitzenden Rezeptoren. Bindet ein sol- die daraufhin die entsprechenden Rezeptoren produzierten. cher Rezeptor ein Geruchsmolekül, sendet die Nervenzelle Dann setzten wir sie verschiedensten Geruchsstoffen aus und ein elektrisches Signal ins Gehirn des Insekts. registrierten, welche Substanz welchen der vielen Rezeptoren Um herauszufinden, wie genau die Tiere die zahlreichen aktivierte und darüber ein elektrisches Signal auslöste. Duftstoffe in ihrer Umgebung unterscheiden können, ver- Drei Jahre lang war Elissa Hallem damals als Doktorandin suchten wir und andere Forscher, die Gene für die Geruchs- an der Yale University mit dieser Aufgabe beschäftigt. Sie rezeptoren der Insekten zu identifizieren – jahrelang vergeb- fand heraus, dass die einzelnen Rezeptoren jeweils nur auf lich. 1999 gelang schließlich der Durchbruch: Mitglieder un- relativ wenige Duftstoffe reagieren und dass bestimmte Ge- seres Teams an der Yale University in New Haven, Connecticut, ruchsmoleküle wiederum nur eine bestimmte Gruppe von entdeckten die ersten Erbfaktoren, die solche Rezeptoren Rezeptoren ansprechen. Untersuchungen anderer Forscher zum Riechsinn der Säuger erbrachten ähnliche Ergebnisse. Folglich erkennen Tiere wohl generell Gerüche über densel- ben Mechanismus: Unterschiedliche Düfte aktivieren jeweils verschiedene Rezeptorkombinationen. Dies erlaubt ihnen, sich in der ungeheuren Vielfalt von Gerüchen in der Natur zurechtzufinden, ohne für jeden einzelnen davon einen eige- nen Rezeptor zu besitzen. Im nächsten Schritt wollten wir nun die Rezeptorgene der Malaria übertragenden Stechmücken in nackte Fruchtflie- genneurone einbringen. In Zusammenarbeit mit Laurence J. Zwiebel von der Vanderbilt University in Nashville (Tennes- see) und Hugh M. Robertson von der University of Illinois in Urbana-Champaign war es uns gelungen, eine Familie von 79 Genen zu identifizieren, bei denen es sich höchstwahr- scheinlich um Geruchsrezeptorgene von Anopheles gambiae 36 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 34. Analyse der Geruchsrezeptoren Forscher identifizierten bei Stechmücken eine kleine Gruppe von Rezeptoren, die spezifisch auf menschliche Geruchsstoffe reagieren. Hierfür testeten sie zahllose Duftstoffe, einen nach Geruchsmolekül Elektrode dem anderen, gegen jeden einzelnen Rezeptor. Rezeptor Borste TOMMy MOORMAn ➊ Ein Geruchsrezeptorgen aus einer Stechmücke wird in eine rezeptorlose Riechnervenzelle einer Fruchtfliegenmutante eingeschleust. Nervenzelle mit eingeschleustem Gen Fruchtfliege Signal zum Gehirn ➋ Das übertragene Gen bringt die Nervenzelle dazu, einen bestimm ten Rezeptortyp zu produzieren. Dieser bindet nur Geruchsmoleküle passender Struktur. Während des Tests wird ein Duftstoff nach dem AnophelesMücke Gen anderen der Fliege präsentiert. Dabei gelangen die Moleküle durch fei ne Poren in die Borste, die das Neuron umhüllt. Bindet ein Duftstoff an den Rezeptor, sendet das Neuron ein Signal ans Gehirn. Mittels einer Elektrode lässt sich dieses Signal registrieren. handelte. Dazu hatten wir im Erbgut der Stechmücke nach dass wir eine breite Palette von Substanzen testen konnten. DNA-Sequenzen gesucht, die denen der Rezeptorgene von Wir verpflanzten die 79 potenziellen Rezeptorgene aus Ano- Fruchtfliegen glichen. Doch würde der Transfer eines dieser pheles in nackte Fliegenneurone; 50 der entsprechenden Mo- Gene in das nackte Fruchtfliegenneuron wirklich zur Produk- leküle erwiesen sich in unserem Versuchsaufbau als funk- tion des entsprechenden Moskitogeruchsrezeptors in der tionsfähig. Gegen diese setzten wir unsere 110 Duftstoffe ein, Fliege führen? Immerhin trennen rund 250 Millionen Jahre insgesamt gab es also 5500 Duftstoff-Rezeptor-Kombinatio- Evolution die beiden Spezies! nen zu testen – eine ganze Menge Arbeit. Die Spannung war daher groß, als wir einen ersten Versuch mit einer Serie von Duftstoffen und einem Rezeptorgen aus Spezialisten für menschlichen Schweiß der Anopheles-Mücke unternahmen. Unser Versuchsaufbau Auf diese Weise identifizierten wir mehrere Rezeptoren, die enthielt einen Lautsprecher, der bei Feuern des Neurons eine nur auf einen oder wenige Duftstoffe stark reagierten. Gera- dichte Abfolge von Klicks produzieren würde. Enttäuschen- de diese sehr spezialisierten Rezeptoren interessierten uns derweise blieb alles still. Wir mussten daher annehmen, dass besonders. Denn wir gingen von der Überlegung aus, dass der Riechrezeptor aus der Stechmücke im Fliegenneuron Moskitos ganz bestimmte Substanzen präzise und in ge- nicht funktioniert. ringsten Mengen erkennen müssen – nämlich solche, die Doch Elissa Hallem gab nicht auf und testete unverdros- eine mögliche Blutquelle anzeigen. Dazu benötigen sie hoch- sen weitere Duftproben. Als sie bei einer Verbindung namens spezifische Rezeptoren. Tatsächlich stellte sich heraus, dass 4-Methylphenol angekommen war, begann der Lautsprecher die meisten dieser schmalbandigen Antennen auf Bestand- förmlich zu kreischen. Wir fanden später heraus, dass 4-Me- teile des menschlichen Schweißes reagierten. thylphenol, das ein wenig nach getragenen Sportsocken Auch der erste von Elissa Hallem getestete Rezeptor, der riecht, eine Komponente des menschlichen Schweißes ist. stark auf 4-Methylphenol angesprochen hatte, gehörte dazu: Wir hatten also eine Methode gefunden, jene Düfte zu iden- Von den 110 Geruchsstoffen lösten nur wenige andere eine tifizieren, die Riechrezeptoren der Moskitos erregen. vergleichbare Erregung aus. Ein weiterer Rezeptor reagierte Daraufhin studierten wir eingehend die Literatur zu sehr selektiv auf Octenol (1-Octen-3-ol), einen Bestandteil menschlichen Düften und wählten für die folgenden Unter- menschlicher und tierischer Gerüche. Es übt auf bestimmte suchungen 110 weitere Verbindungen aus – viele davon Be- Moskitospezies eine starke Anziehungskraft aus, unter an- standteile von menschlichem Schweiß. Dabei bezogen wir derem auch auf Culex pipiens, eine Stechmückenart, die in Duftstoffe mit unterschiedlichster Molekülstruktur ein, so US-amerikanischen Hausgärten verbreitet ist und das West- WWW.SPEKTRUM.DE 37
- 35. Nil-Virus übertragen kann.Octenol ist auch in manchen im Viele früher eingesetzte Methoden zur Moskitobekämp- Handel erhältlichen Moskitofallen enthalten. fung, wie der massive Einsatz des Insektizids DDT, hatten Doch was ist mit dem praktischen Nutzen unserer For- dramatische schädliche Nebenwirkungen. Geruchsstoffba- schungsergebnisse? Bislang testet man Substanzen auf ihre sierte Kontrollmethoden dürften dagegen weitaus ungefähr- Eignung als Lockstoff, indem schlicht beobachtet wird, ob sie licher sein. Eine Duftfalle kommt mit kleinsten Mengen des Mücken anziehen. Da diese Methode recht zeitaufwändig ist, Lockstoffs aus, da Moskitos extrem empfindliche Chemosen- können nur relativ wenige Verbindungen getestet werden. soren besitzen. Substanzen, die in menschlichem Schweiß Auch klassische Laborverfahren zum Identifizieren von Lock- und in der Atemluft zu finden sind, sollten in geringen Dosie- stoffen haben ihre Nachteile. So lassen sich etwa Versuchs- rungen nicht giftig wirken. personen einen Arm mit einer Duftmischung bestreichen Zudem ließe sich die Bekämpfung gefährlicher Stechmü- und halten ihn in eine durchsichtige Box, die Dutzende von cken mit Geruchsstoffen viel präziser auf die Zielinsekten Moskitos enthält. Stoffe, die Mücken vom Stechen abhalten, zuschneiden als der Einsatz von Insektiziden. Unsere Daten sind dann Kandidaten für neue Abwehrmittel (Repellents). zu Moskitos und Fruchtfliegen zeigen, dass die meisten hoch- Im Unterschied dazu ermöglicht unser experimenteller An- selektiven Rezeptoren von Anopheles gambiae auf Geruchs- satz, sehr schnell ein Vielzahl verschiedener Substanzen aus- komponenten des menschlichen Schweißes reagieren, wo- zutesten, was die Entdeckung neuer, wirksamerer Lock- oder hingegen sie bei Drosophila melanogaster auf leicht flüch- Abwehrstoffe wesentlich wahrscheinlicher macht. Dazu tige Verbindungen aus Früchten ansprechen. Bestimmte kommt, dass wir keine menschlichen Probanden benötigen. Lockstoffmischungen sollten also gezielt nur auf eine Insek- tenspezies wirken, was die Umweltbelastung deutlich redu- Duftstoffe testen am Fließband zieren würde. Mit dem Einsatz solcher Duftstoffcocktails Lawrence J. Zwiebel etwa nutzt Zellkulturen, die Geruchs- statt einzelner Wirksubstanzen lässt sich zudem das Risiko rezeptoren von Anopheles gambiae herstellen. Laborroboter der Resistenzbildung effektiv verringern. präsentieren den Zellen in wenigen Stunden Tausende ver- Die Malaria wird sich langfristig nur dann ausrotten las- schiedener Substanzen. Auf diese Weise hat Zwiebel bislang sen, wenn gleichzeitig viele unterschiedliche Strategien ein- mehr als 200 000 Duftstoffe getestet. Mehr als 400 davon gesetzt werden: Neben Moskitonetzen und verbesserten Me- aktivierten oder hemmten die Geruchsrezeptoren; diese dikamenten sowie möglicherweise bald neuen Impfstoffen Kandidaten werden nun genauer untersucht und getestet. (siehe Artikel S. 24) könnte die präzise Manipulation des Ver- Besonders interessant sind Verbindungen, die als »Super- haltens von Moskitos mit Geruchsstoffen hierzu einen wich- aktivatoren« wirken: Sie blockieren Geruchsneurone durch tigen Beitrag leisten. Ÿ übermäßige Erregung, so dass entweder die Signalübertra- gung abbricht oder das Moskitohirn durcheinandergebracht di e autoren wird. Bringt man solche Duftstoffe in der Nähe von Häusern in Schwarzafrika aus, sollten Moskitos ihre Opfer nicht mehr John R. Carlson ist Professor finden. für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie an der Andererseits lassen sich Substanzen identifizieren, die se- yale University. Er erforscht lektiv bestimmte Rezeptoren hemmen, worauf das Insekt seit 25 Jahren die molekularen sein Ziel ebenfalls nicht mehr ausfindig machen kann. Solche und zellulären Grundlagen des Geruchssinns von Insekten. maskierenden Stoffe könnten in der Umgebung menschli- Allison F. Carey schloss vor cher Ansiedlungen versprüht oder als Repellent auf die Haut Kurzem ihr Medizinstudium in yale ab. Sie promovierte in neuro- aufgetragen werden. Die Stechmücken würden so nicht mehr wissenschaften und setzt ihre Studien zur Malaria am Institut Pasteur in Paris fort. erkennen, dass sie sich in der Nähe ihrer begehrten Blutquel- len aufhalten. Auch Geruchsstoffe, die Moskitos als absto- Quellen ßend empfinden, kommen als Abwehrmittel in Frage. Unsere Kooperationspartner von der niederländischen Universität Carey, A. F. et al.: Odorant Reception in the Malaria Mosquito Anopheles gambiae. In: nature 464, S. 66 – 71, 2010 Wageningen testen hierzu an Anopheles-Mücken Kombina- Goes van Naters, W. van der, Carlson, J. R.: Insects as chemosensors tionen der von uns identifizierten Geruchsstoffe und stießen of humans and crops. In: nature 444, S. 302 – 307, 2006 bereits auf einige sehr wirksame Duftmischungen. Turner, S. L.: Ultra-Prolonged Activation of cO2-Sensing neurons Neben Komponenten des menschlichen Schweißes regis- Disorients Mosquitoes. In: nature 474, S. 87 – 92, 2011 Zwiebel, L. J., Takken, W.: Olfactory Regulation of Mosquito-host trieren Moskitos auch ausgeatmetes Kohlendioxid und nut- Interactions. In: Insect Biochemistry and Molecular Biology 34, zen es bei der Suche nach Nahrung. Damit bietet sich der ent- S. 645 – 652, 2004 sprechende Rezeptor als weiterer Angriffspunkt an. Erst kürzlich entdeckte ein Team um Anandasangar Ray an der weblink University of California in Riverside verschiedene Duftstoffe, Diesen Artikel sowie weiterführende Informationen finden Sie im die den CO2-Rezeptor aktivieren beziehungsweise hemmen; Internet: www.spektrum.de/artikel/1114582 auch Superaktivatoren fanden sich darunter. 38 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 36. TITElTHEMA:ASTRoPHySIK Kosmische Inflation auf demPrüfstand Nach gängiger Meinung blähte sich das Universum unmittelbar nach dem Urknall extrem auf. Doch das Modell dieser so genannten kosmischen Inflation beruht auf derart willkürlichen Annahmen, dass einige Forscher nach Alternativen suchen. Von Paul J. Steinhardt Trifft das klassische Inflations- modell zu? Manche Kosmolo- gen bezweifeln, dass das Universum tatsächlich kurz nach dem Urknall einen heftigen Wachstumsschub erfuhr (gelbes Gebiet). 40 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 37. PHySIKASTRoNoMIE I N Dw go lM co Al ): M eN eb eg ANg rs N De tA ch NI erN s oF N( IoNe At tr Us Ill le Al auf einen blick FRAgWüRDIgEvoRAUSSETzUNgEN 1 Die kosmische Inflation gilt Astrophysikern als verbürgte Tat- sache. Demnach lassen sich die »flache« Geometrie und die Gleichförmigkeit des Kosmos durch einen intensiven Wachstums- schub kurz nach dem Urknall erklären. 2 Doch zu Beginn der Inflation müssen höchst unwahrschein- liche Bedingungen vorgelegen haben. Außerdem geht sie ewig weiter und erzeugt unendlich viele Universen, in denen völlig beliebige Verhältnisse herrschen können. 3 Manche Forscher bezweifeln, dass es sich dabei nur um Kin- derkrankheiten der Theorie handelt. Sie diskutieren daher neue Ansätze, um das Modell zu retten oder durch ein anderes zu ersetzen – etwa jenes eines zyklisch expandierenden und kolla- bierenden Universums. WWW.SPEKTRUM.DE 41
- 38. V or 30 Jahren hielt das Wort Inflation in den kos- recht, was sie von den Einwänden halten sollen. Um das Di- mologischen Sprachgebrauch Einzug. Alan H. lemma zuzuspitzen, stelle ich die kosmische Inflation im Fol- Guth, damals angehender Physiker am Stanford genden quasi vor Gericht und vertrete dabei zwei entgegen- Linear Accelerator Center in Menlo Park (Kalifor- gesetzte Standpunkte: Zuerst präsentiere ich als Verteidiger nien), postulierte einen kurzen Ausbruch extrem beschleu- die größten Vorteile der Theorie; dann liste ich als Ankläger nigter Expansion in den ersten Momenten nach dem Ur- die ungelösten Probleme auf. knall. Mich faszinierte die Idee sofort, und seither denke ich fast jeden Tag darüber nach. Vielen meiner Kollegen aus der Plädoyer der Verteidigung Astrophysik, Gravitations- und Teilchenforschung geht es Die Inflation ist so bekannt, dass die Verteidigung sich kurz- genauso. Da wundert es kaum, dass die Theorie der kosmi- fassen kann – ein paar Details genügen, um die Vorzüge zu schen Inflation ein besonders aktives Forschungsgebiet ist. würdigen. Das Modell beruht auf einer speziellen Größe na- Ihre Aufgabe besteht darin, eine klaffende Lücke in der Ur- mens inflationäre Energie, die das Universum in einem kur- knalltheorie zu füllen. Deren Grundidee besagt, dass das Uni- zen Augenblick erstaunlich stark aufzublähen vermag. Die versum sich seit seiner Entstehung vor 13,7 Milliarden Jahren Dichte dieser Energie muss ungeheuer groß sein und wäh- langsam ausdehnt und abkühlt. Expansion und Abkühlung rend der Inflationsphase fast konstant bleiben. Ungewöhn- erklären viele Merkmale des heutigen Universums bis ins lich ist, dass ihre Kraft nicht anziehend, sondern abstoßend Detail – allerdings nur unter einer Voraussetzung: Das Uni- wirkt. Durch die Abstoßung schwillt der Raum rapide an. versum hatte zu Beginn ganz bestimmte Eigenschaften. Zum Guths Idee wirkte so plausibel, weil Theoretiker bereits Beispiel war es demnach von Anfang an extrem gleichför- viele mögliche Quellen einer solchen Energie identifiziert mig; die Materie- und Energieverteilung durfte nur ganz ge- hatten. Favorit ist ein hypothetischer Verwandter des Mag- ringfügig variieren. Zudem musste es »geometrisch flach« netfelds, ein so genanntes Skalarfeld; im Fall der Inflation sein. So bezeichnen Astronomen ein Universum, in dem heißt es Inflatonfeld. Das berühmte Higgs-Teilchen, das der- Lichtstrahlen und die Bahnen bewegter Objekte nicht durch zeit mit dem Large Hadron Collider am CERN bei Genf ge- weit gespannte Verzerrungen der Raumzeit gebeugt werden. sucht wird, leitet sich von einem ähnlichen Skalarfeld her. Aber warum soll das Ur-Universum so gleichförmig und Wie jedes Feld hat das Inflaton in jedem Raumpunkt eine »flach« gewesen sein? Eigentlich muten diese Bedingungen bestimmte Stärke, welche die Kraft angibt, die es auf sich höchst unwahrscheinlich an. Hier kam Guths Idee ins Spiel: selbst und auf andere Felder ausübt. Während der Inflations- Selbst wenn zu Beginn beliebige Unordnung phase ist diese überall fast konstant. Je nach im Universum herrschte – mit höchst un- Stärke enthält das Feld einen bestimmten gleichförmiger Energieverteilung und ausge- Das inflations- Energiebetrag; Physiker sprechen von poten- sprochen runzliger Geometrie –, würde ein modell füllt eine zieller Energie. Der Zusammenhang zwi- spektakulärer Wachstumsschub die Energie große Lücke der schen Feldstärke und Energie lässt sich als gleichmäßig verteilen und alle Raumverzer- Kurve in einem Diagramm darstellen. Im Fall rungen schlagartig ausbügeln. Nach dieser Urknalltheorie des Inflatons verläuft die Kurve wie der Quer- Inflationsphase dehnte sich das Universum schnitt durch ein tiefes Tal neben einem sanft dann im gemächlicheren Tempo der ursprünglichen Ur- geneigten Plateau (siehe nebenstehenden Kasten). Entspricht knalltheorie weiter aus – doch nun herrschten genau passen- die Feldstärke anfangs einem Punkt auf dem Plateau, so büßt de Bedingungen für die Entwicklung der heutigen Sterne das Feld allmählich sowohl Stärke als auch potenzielle Ener- und Galaxien. gie ein und wandert den Abhang hinab. Gewissermaßen be- Die Idee ist so unwiderstehlich, dass Kosmologen sie heute schreiben die Feldgleichungen einen Ball, der einen Hügel ihren Studenten und der Öffentlichkeit als feststehende Tat- von der Form der Energiekurve hinunterrollt. sache präsentieren. Im Lauf der Jahre geschah allerdings et- Die potenzielle Energie des Inflatons kann eine beschleu- was Seltsames: Zwar wurden die Argumente für die Inflation nigte Expansion des Universums verursachen und es dabei immer stärker, jedoch mehrten sich auch die Einwände. Aber glätten und »verflachen« – vorausgesetzt, das Feld bleibt lange nur eine überraschend kleine Minderheit verfolgt die Gegen- genug (10 –30 Sekunden) auf dem Plateau, um das Universum argumente – zu der auch ich gehöre. Die meisten Astrophy- in jeder Richtung um einen Faktor von mindestens 1025 zu siker überprüfen stattdessen die Vorhersagen der etablier- strecken. Die Inflation hört auf, wenn das Feld das Ende des ten Inflationstheorie, ohne sich um ihre Anfechtbarkeit zu Plateaus erreicht und in das Energietal stürzt. Dort verwandelt kümmern. Sie hoffen, die Probleme würden allmählich ver- sich die potenzielle Energie in die Materie- und Energiefor- schwinden. Leider ist das nicht der Fall. men, die heute das Universum erfüllen – Dunkle Materie, hei- Da ich sowohl an der Inflationstheorie gearbeitet habe ße gewöhnliche Materie und Strahlung. Es beginnt eine Phase (siehe »Das inflationäre Universum« von Alan H. Guth und mäßiger, sich verlangsamender Expansion, in deren Verlauf Paul J. Steinhardt, Spektrum der Wissenschaft 7/1984, S. 80) sich die Materie zu kosmischen Strukturen verdichtet. als auch an konkurrierenden Modellen, bin ich hin- und her- Die Inflation glättet das Universum ähnlich einem Gum- gerissen. Wie mir scheint, wissen auch viele Kollegen nicht so mituch, das bei straffer Spannung seine Falten verliert – zu- 42 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 39. Das klassische Modell Astronomischen Daten zufolge dehnt sich das Universum seit seiner Entstehung Richtung der Zeit vor 13,7 Milliarden Jahren immerfort aus. Doch was geschah in den allerersten Momenten, die sich direkter Beobachtung entziehen? Nach herrschender Auffassung blähte sich das urtümliche Universum plötzlich ungeheuer stark auf. Der inflatio- näre Wachstumsschub bügelte alle Verzerrungen und Krümmungen des Raums schlag- artig aus. Das erklärt die »flache« Geometrie des gegenwärtigen Universums. Wie die Inflation wirkte Zeit Urknall –35 10 Inflationsbereich –25 10 Zeit seit dem Urknall in Sekunden –15 10 –5 10 Grenze indirekter Beobachtung 5 10 JeN chrIstIANseN Grenze direkter Beobachtung 15 10 – 30 –20 –10 10 20 10 10 10 1 10 10 Größe des Universums in Zentimetern heute Das Wachstumstempo war selbst für astronomische Maßstäbe gewaltig. Innerhalb von 10 –30 Sekunden wuchs das All um einen Faktor von mindestens 1025 in alle Richtungen. Es dehnte sich beschleunigt aus und zerrte Raumgebiete sogar mit Überlichtgeschwindigkeit auseinander. Wodurch die Inflation verursacht wurde hoch Plateau (Inflation) Energiedichte des Inflatonfelds Tal (Ende der Inflation) heute niedrig hoch Stärke des Inflatonfelds niedrig DIAgrAMM obeN lINks: JeN chrIstIANseN Als die Inflation einsetzte, war der Radius des heute beobachtbaren Universums Das so genannte Inflatonfeld erzeugte eine abstoßende Schwerkraft, durch die der 100 Billiarden Mal kleiner als ein Atom. Raum augenblicklich rapide anschwoll. Dafür musste die Energiedichte des Felds Während der Inflation wuchs es auf die Größe mit der Feldstärke so variieren, dass ihre Kurve ein hochenergetisches Plateau und einer Geldmünze an. In den Milliarden Jahren ein niederenergetisches Tal bildete. Das Feld verhielt sich dadurch wie ein abwärts- seither dehnte sich der Raum weiter aus, rollender Ball. Auf dem Plateau wirkte es abstoßend; sobald es das Tal erreichte, allerdings langsamer, und ermöglichte die hörte die Inflation auf. Bildung von Galaxien. WWW.SPEKTRUM.DE 43
- 40. mindest weit gehend.Auf Grund von Quanteneffekten blei- gen sind die Keime späterer Sterne und Galaxien. Der Infla- ben kleine Unregelmäßigkeiten übrig, denn die Gesetze der tionstheorie zufolge sind die Schwankungen fast skaleninva- Quantenphysik fordern, dass das Feld nicht überall gleich riant; das heißt, sie hängen nicht von der Größe des Gebiets stark ist, sondern zufällig schwankt. Wegen dieser Fluktuatio- ab, sondern treten in jedem Maßstab mit gleicher Stärke auf. nen endet die Inflation in unterschiedlichen Raumregionen Das Plädoyer für die Inflation lässt sich in drei Punkten zu- zu etwas verschiedenen Zeiten und erwärmt sie auf etwas un- sammenfassen. Erstens: Sie ist geradezu unvermeidlich. Seit terschiedliche Temperaturen. Diese räumlichen Abweichun- Guths Vorschlag haben theoretische Physiker Gründe für die Hypothese gefunden, wonach das frühe Universum Felder enthielt, welche die Inflation antreiben konnten; in der String- theorie und anderen »großen Vereinigungen« der Naturkräf- Unwahrscheinlich gut, te treten solche Felder zu Hunderten auf. Im chaotischen Ur- wahrscheinlich schlecht zustand des Kosmos gab es gewiss ein Raumgebiet, wo eines dieser Felder die Bedingungen für Inflation erfüllte. Die Inflation soll ein riesiges Raumvolumen erzeugen, das Zweitens erklärt die Inflation, warum das All heute so von selbst die beobachteten großräumigen Eigenschaften gleichförmig und geometrisch »flach« ist. Niemand weiß, unseres Universums aufweist. Doch dafür muss die Ener- wie es unmittelbar nach dem Urknall aussah, aber wegen der giekurve des Inflatonfelds eine ganz bestimmte Form Inflation muss man das gar nicht wissen, denn die Phase der haben, die nur durch Feinabstimmung eines Parameters λ beschleunigten Expansion dehnte das Universum in die rich- erreicht wird. Andernfalls verläuft die Inflation »schlecht« tige Form. und erzeugt ein riesiges Volumen mit allzu hoher Dichte Drittens und vor allem liefert die inflationäre Theorie ex- und falscher Galaxienverteilung. Angesichts des großen akt zutreffende Vorhersagen. Viele Messungen der kosmi- Bereichs möglicher λ-Werte ist eine »schlechte« Inflation schen Hintergrundstrahlung und der Galaxienverteilung be- viel wahrscheinlicher. stätigen, dass die räumlichen Energieschwankungen im frü- hen Universum fast skaleninvariant waren. »Gute« Inflation: »Schlechte« Inflation: Nur für einen kleinen λ-Bereich Ein typischer λ-Wert erzeugt Plädoyer der Anklage liefert die Inflation die eine höhere Galaxiendichte und beobachtete Galaxiendichte. möglicherweise mehr Raum. Dass eine Theorie versagt, kündigt sich oft durch kleine Dis- krepanzen zwischen Beobachtung und Vorhersage an. Das ist hier nicht der Fall: Die empirischen Daten stimmen hervor- ragend mit den theoretischen Vorhersagen aus dem Beginn der 1980er Jahre überein. Die Argumente gegen die Inflation betreffen vielmehr das logische Fundament der Theorie. Funktioniert sie wirklich wie angekündigt? Entsprechen die Vorhersagen von vor 30 Jahren immer noch unserem heuti- Inflationsphase gen Verständnis des Inflationsmodells? Tatsächlich gibt es Inflationsphase gute Gründe, beide Fragen zu verneinen. Das erste Argument der Verteidigung besagte, die Inflation sei unvermeidlich. Doch die Sache hat einen Haken: Schlech- Inflationsphase te Inflation ist wahrscheinlicher als gute. Mit schlechter In- flation ist eine Periode beschleunigter Expansion gemeint, deren Ergebnis den Beobachtungen widerspricht. Beispiels- weise können die Temperaturunterschiede zu groß ausfallen. Das hängt von der genauen Gestalt der Energiekurve ab; diese wird durch einen numerischen Parameter bestimmt, der im Prinzip völlig beliebige Werte annehmen kann. Nur ein ex- trem schmaler Wertebereich führt zu der beobachteten Tem- peraturverteilung. In einem typischen Inflationsmodell muss der Wert bei 10– 15 liegen, das heißt bei 0,000000000000001. Eine abweichende Zahl, etwa 10– 12 oder 10– 8, würde schlechte Inflation ergeben: ähnlich stark beschleunigte Expansion, aber viel zu große Temperaturunterschiede. Wir könnten die schlechte Inflation ignorieren, wenn sie kein Leben zuließe. Dann würden wir derart große Tempe- raturschwankungen, selbst wenn sie prinzipiell möglich wä- ren, niemals beobachten. Dieses Argument ist als anthro- 44 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 41. pisches Prinzip bekannt.Doch hier greift es nicht. Größere kungen minimal aus. Doch die Fluktuationen gehorchen dem Temperaturabweichungen würden zu mehr Sternen und Ga- Zufallsprinzip. In manchen Raumregionen werden sie groß laxien führen; das Universum wäre sogar noch wohnlicher sein und zu erheblichen Verzögerungen führen. als heute. Echte Verzögerungsgebiete sind freilich so extrem seltene Schlechte Inflation ist wahrscheinlicher als gute, aber noch Ausreißer, dass man versucht sein könnte, sie zu ignorieren. wahrscheinlicher ist gar keine Inflation. Der Physiker Roger Das darf man aber nicht, denn sie blähen sich inflationär auf. Penrose von der University of Oxford wies darauf erstmals in Dadurch wachsen sie blitzartig über das Gebiet hinaus, in den 1980er Jahren hin. Aus thermodynamischen Prinzipien, wie sie für Atome und Moleküle in einem Gas gelten, berech- nete er die möglichen Anfangskonfigurationen des Inflaton- und Gravitationsfelds. Einige dieser Anordnungen führen zur Aller Anfang ist schwer Inflation und damit zu fast gleichförmiger Materieverteilung und »flacher« Geometrie. Andere Konfigurationen ergeben Die Inflation soll der gängigen Theorie zufolge bei beliebi- aber auch ohne Inflation ein derartiges Universum. Beide gen Anfangsbedingungen des Universums eintreten. Doch Fälle sind allerdings so selten, dass ein »flaches« Universum bei näherer Analyse führt nur ein Bruchteil aller möglichen insgesamt unwahrscheinlich wird. Der Knalleffekt dabei: Ein Bedingungen zu dem gleichförmigen, »flachen« Zustand, solches Universum ohne Inflation ist laut Penrose um den der heute herrscht. Von diesen speziellen Anfangsbedin- Faktor 10 100 wahrscheinlicher als eines mit Inflation! gungen benötigt wiederum nur ein winziger Bruchteil eine ausgeprägte Inflationsphase, um den heutigen Zustand des Die Katastrophe ewiger Inflation Alls zu erreichen. Ein anderer Ansatz, der zum selben Schluss kommt, nutzt geltende physikalische Gesetze, um den gegenwärtigen Zu- stand des Kosmos in die Vergangenheit zu extrapolieren. Die Extrapolation ist nicht eindeutig: Viele Ereignisfolgen kön- mögliche Anfangszustände nen zum heutigen flachen und glatten Zustand geführt ha- ben. Im Jahr 2008 zeigten Gary W. Gibbons von der Univer- sity of Cambridge und Neil G. Turok vom Perimeter Institute Zustände, die zu einem for Theoretical Physics in Ontario, dass die meisten Extra- gleichförmigen, flachen Universum führen polationen nur unwesentlich Inflation enthalten. Das passt zum Ergebnis von Penrose. mit Inflation ohne Inflation Beide Schlussfolgerungen wirken zunächst nicht plausi- bel, denn ein flaches und glattes Universum ist erst einmal unwahrscheinlich, und die Inflation wäre ein starker Mecha- nismus, um das nötige Glätten und Verflachen zu erreichen. Inflationsphase Doch dieser Vorteil wird anscheinend völlig durch die Tatsa- che aufgehoben, dass die Bedingungen für das Auslösen ei- ner Inflation noch viel unwahrscheinlicher sind. Demzufolge hätte das Universum seinen gegenwärtigen Zustand wohl ohne Inflation erreicht. Viele Physiker finden diese theoretischen Einwände aller- dings weniger überzeugend als das stärkste Argument für die Inflation: Die vor drei Jahrzehnten formulierten Vorher- sagen werden heute durch kosmologische Beobachtungen glänzend bestätigt. Dennoch hat dieser Triumph einen üblen Beigeschmack, denn die Prognosen der frühen 1980er Jahre beruhten auf einem naiven Bild der Inflation – und dieses Bild hat sich als völlig falsch erwiesen. Der Umschwung begann mit der Erkenntnis, dass die Infla- tion ewig ist: Wenn sie einmal begonnen hat, hört sie nie wie- der auf (siehe »Das selbstreproduzierende inflationäre Uni- versum« von Andrei Linde, Spektrum der Wissenschaft 1/1995, S. 32). Diese Tatsache folgt direkt aus der Quantenphysik einer beschleunigten Expansion. Bekanntlich können Quantenfluk- tuationen das Ende der Inflation hier und da ein wenig verzö- gern. Wo diese Schwankungen klein sind, fallen auch ihre Wir- WWW.SPEKTRUM.DE 45
- 42. dem die Inflationrechtzeitig zum Stillstand kam. So ent- der oben beschriebenen schlechten Inflation zu ähneln, sie steht ein Meer von inflationär expandierendem Raum um hat aber eine andere Ursache. Schlechte Inflation tritt auf, eine kleine Insel aus heißer Materie und Strahlung. Außer- weil die Parameter, welche die Form der Energiekurve steu- dem bringen Ausreißer weitere Ausreißer hervor sowie neue ern, meist zu groß sind. Hier jedoch folgt die Ungleichförmig- Materieinseln – jede ein eigenständiges Universum. Der Vor- keit aus ewiger Inflation und zufälligen Quantenfluktuatio- gang schreitet ungehemmt fort und erzeugt eine unbegrenz- nen, ganz unabhängig von den Parameterwerten. te Anzahl von Inseln, die von immer mehr inflationär expan- Und im Grunde handelt es sich nicht nur um einige In- dierendem Raum umgeben werden. Dieses beunruhigende seln, sondern um unendlich viele. In einem ewig inflationä- Bild ist aber noch längst nicht alles – das Beste kommt erst. ren Universum haben unendlich viele Inseln Eigenschaften, Die Inseln sind nämlich nicht alle gleich. Wegen des Zufalls- wie wir sie kennen – aber unendlich viele andere nicht. Das charakters der Quantenphysik sind einige höchst ungleich- eigentliche Ergebnis der Inflation hat Guth am besten zu- förmig oder stark gekrümmt. Ihre Ungleichmäßigkeit scheint sammengefasst: »In einem ewig inflationären Universum geschieht alles, was überhaupt geschehen kann; es geschieht sogar unendlich oft.« Immer und ewig Ist unser Universum also die Ausnahme von der Regel? Das lässt sich bei einer unendlichen Ansammlung von Inseln Die Inflationstheorie soll präzise Vorhersagen treffen, die schwer beantworten. Angenommen, ein Sack enthält endlich mit den Beobachtungen übereinstimmen. Doch leistet viele Ein- und Zweieuromünzen, deren Anzahl wir kennen. sie das wirklich? Sobald die Inflation beginnt, breitet sie sich Greifen wir blind hinein, können wir vorhersagen, welches durch Quantenfluktuationen fast überall im Raum immer Geldstück wir am wahrscheinlichsten in der Hand halten weiter aus. Wo sie aufhört, bildet sich eine Blase, die ihrer- werden. Doch wenn der Sack unendlich viele Münzen ent- seits wächst. Wir leben in einer solchen Blase, doch sie ist hält, geht das nicht. Um die Wahrscheinlichkeiten zu bestim- untypisch; die meisten sind jünger. Tatsächlich entstehen men, können wir versuchen, die entnommenen Münzen in unendlich viele Blasen mit einer unendlichen Vielfalt von Stapeln zu sortieren. Eigenschaften. Alles, was geschehen kann, geschieht in ir- Zunächst legen wir eine Zweieuromünze hin, dann dane- gendeiner Blase. Aber eine Theorie, die alles vorhersagt, ben eine Eineuromünze, dann eine zweite Zweieuromünze besagt gar nichts. und eine zweite Eineuromünze auf die jeweils entsprechen- de erste und so weiter. Diese Prozedur vermittelt uns den Eindruck, es gebe gleich viele Münzen von jeder Sorte. Doch dann probieren wir ein anderes System aus: Wir stapeln erst zehn Zweieuromünzen, dann eine Eineuromünze, dann wie- der zehn zwei Euro, dann eine Eineuromünze und so fort. Nun haben wir den Eindruck, auf jeden einzelnen Euro kä- men zehn Zweieuromünzen. Das Ausmaß unseres Versagens Welche Zählmethode ist richtig? Die Antwort lautet: keine. Unendlich viele Münzen lassen sich auf unendlich viele Ar- ten sortieren, und das ergibt unendlich viele Wahrschein- lichkeiten. Es gibt kein richtiges Verfahren, um herauszufin- den, welche Münze wahrscheinlicher ist. Ebenso wenig lässt sich in einem ewig inflationären Universum die Wahrschein- lichkeit eines Inseltyps bestimmen. Jetzt sollten Sie wirklich beunruhigt sein. Was bedeutet die Aussage, die Inflation treffe bestimmte Vorhersagen – zum Bei- spiel, das Universum sei gleichförmig oder zeige skaleninvari- ewig ante Fluktuationen –, wenn alles, was geschehen kann, unend- inflationärer Raum lich oft geschieht? Und wenn die Theorie keine prüfbaren Vor- hersagen macht, wie können die Kosmologen dann weiter andere Blasen behaupten, sie stimme mit den Beobachtungen überein? Die Theoretiker sind sich zwar des Problems bewusst, aber sie halten es für lösbar. Sie hoffen, das naive Bild der Inflation aus den frühen 1980er Jahren wiederherstellen zu können – unser Universum obwohl sie seither vergeblich um eine plausible Lösung rin- gen. Einige versuchen, nichtewige Inflationstheorien auszu- 46 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 43. hecken, um dieunendliche Vielfalt der Universen im Keim die späteren Regionen ein sehr viel größeres Gesamtvolu- zu ersticken. Doch Ewigkeit ist eine natürliche Konsequenz men einnehmen. Darum sind Gebiete, die jünger sind als un- der Kombination von Inflation und Quantenphysik. Um sie seres, unermesslich viel häufiger, und es wäre unwahrschein- zu vermeiden, muss das Universum in einem sehr speziellen lich, dass wir überhaupt existieren. Anfangszustand und mit einer speziellen Form von inflatio- Die Verfechter der Maßidee gehen nach dem Prinzip von närer Energie beginnen; nur dann hört die Inflation überall Versuch und Irrtum vor. Sie erfinden und erproben ein Maß im Raum auf, bevor Quantenfluktuationen eine Chance be- nach dem anderen, bis eines vielleicht das ersehnte Resultat kommen, sie erneut in Gang zu setzen. In diesem Szenario liefert: dass unser Universum besonders wahrscheinlich ist. hängt das beobachtete Ergebnis äußerst empfindlich vom Angenommen, sie haben eines Tages Erfolg. Dann werden sie Anfangszustand ab. Das widerspricht jedoch dem eigentli- erklären müssen, was dieses Maß vor allen anderen auszeich- chen Zweck der Inflation: Sie soll das Ergebnis unabhängig net, und womöglich noch eine Rechtfertigung für diese Er- von den zuvor herrschenden Bedingungen erklären. klärung finden müssen, und so weiter. Ein anderer Ansatz nimmt an, dass Inseln wie unser Uni- Andere Forscher berufen sich auf das anthropische Prin- versum das wahrscheinlichste Ergebnis der Inflation sind. Zu zip. Während das Maßkonzept besagt, dass wir auf einer typi- diesem Zweck wird ein so genanntes Maß schen Insel leben, nimmt das anthropische postuliert, das regelt, wie man die Wahr- Prinzip an, unsere Insel sei sehr untypisch, scheinlichkeit unterschiedlicher Inseln ge- laut Inflations- biete aber die Voraussetzungen für die Ent- wichtet – als würde man uns im Beispiel mit modell ist unsere stehung von Leben. Die Bedingungen in ty- dem Sack Münzen etwa vorschreiben, wir existenz sehr un- pischeren Inseln seien hingegen unverein- sollten immer drei Zweieuromünzen pro bar mit Galaxien oder Sternen oder einer fünf Eineuromünzen stapeln. Die willkür- wahrscheinlich anderen Voraussetzung für Lebensformen liche Einführung eines Maßbegriffs kommt unserer Art. Obgleich die typischen Inseln jedoch dem Eingeständnis gleich, dass die Inflationstheorie viel mehr Raum einnehmen als solche, die unserer Insel glei- für sich genommen gar nichts erklärt oder vorhersagt. chen, könnten wir erstere ignorieren, denn uns interessieren Theoretiker haben viele plausible Maße vorgeschlagen, nur Gebiete, in denen Menschen möglich sind. die zu unterschiedlichen Schlüssen führen. Zum Beispiel be- Diese Idee hat aber leider den Nachteil, dass unser Univer- sagt das Volumenmaß, dass man Inseln durch ihre Größe sum flacher, glatter und präziser skaleninvariant ist, als es messen soll – auf den ersten Blick eine vernünftige Wahl, sein müsste, um Leben zu ermöglichen. Typischere, insbe- denn die Inflation soll ja große Volumina erzeugen, die so sondere jüngere Inseln sind fast ebenso bewohnbar wie un- gleichförmig und »flach« sind wie unser Kosmos. Leider ver- sere, aber viel häufiger. sagt das Volumenmaß, weil es Verzögerung bevorzugt. Das Von der oft zitierten Behauptung, die kosmologischen Da- zeigt der Vergleich von Inseln wie der unseren mit anderen, ten hätten die wichtigsten Aussagen der Inflationstheorie ve- die später – nach mehr Inflation – entstanden sind. Auf rifiziert, bleibt im Licht dieser Argumente wenig übrig. Rich- Grund des exponentiellen Wachstums der Inflation werden tig ist, dass die Daten die Vorhersagen der ursprünglichen WWW.SPEKTRUM.DE 47
- 44. naiven Theorie bestätigen,aber das ist nicht die inflationäre zuzulassen. Viele führende Theoretiker sind überzeugt davon, Kosmologie von heute. Der naiven Theorie zufolge führt die die erwähnten Probleme seien nur Kinderkrankheiten und Inflation zu einem Ergebnis, das den Gesetzen der klassi- sollten unser Vertrauen in die Grundidee nicht erschüttern. schen Physik gehorcht. In Wahrheit gehorcht die Inflation Ich und andere wenden ein, die Kritikpunkte beträfen den aber der Quantenphysik, und alles, was geschehen kann, ge- Kern der Theorie; diese müsse entweder grundlegend verän- schieht auch. Doch wenn die Inflationstheorie keine klaren dert oder komplett verworfen werden. Vorhersagen trifft, wozu ist sie dann gut? Letzten Endes werden Daten entscheiden, insbesondere Das eigentliche Problem ist, dass Verzögerung nicht be- Vermessungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. straft, sondern belohnt wird. Da Ausreißergebiete, die das Schon wird auf Berggipfeln, mit Stratosphärenballons und Ende der Inflation hinauszögern, beschleunigt weiterwach- Satelliten nach den Spuren von Gravitationswellen gesucht; sen, gewinnen sie unweigerlich die Oberhand. Besser wäre es, Resultate sind in den nächsten zwei, drei Jahren zu erwarten. wenn jede Ausreißerregion langsamer expandieren würde – Die Entdeckung einer Gravitationswellenspur würde das In- oder sogar schrumpfen. Der weitaus größte Teil des Univer- flationsmodell stützen; ihr Ausbleiben brächte es in ernste sums bestünde dann aus braven Regionen, in denen die Glät- Schwierigkeiten. Um die Inflation trotz eines Nullresultats tungsphase rechtzeitig aufhört, und unser Universum wäre zu retten, müssten die Kosmologen für das Inflatonfeld ein angenehm normal. speziell geformtes Potenzial annehmen, das die Gravitati- onswellen unterdrückt – doch das mutet gekünstelt an. Viele Gezähmte Verzögerung Forscher würden dann eher einer Alternative wie dem Mo- Genau diese Eigenschaft besitzt die so genannte zyklische dell des zyklischen Universums zuneigen, weil es aus sich Theorie, die meine Kollegen und ich vorschlagen. Demnach heraus ein unbeobachtbar kleines Gravitationswellensignal ist der Urknall nicht der Beginn von Raum und Zeit (siehe vorhersagt. Das Resultat wird uns jedenfalls der Antwort auf »Die Zeit vor dem Urknall« von Gabriele Veneziano, Spek- die Frage, wie das Universum so wurde, wie es ist, und was trum der Wissenschaft 8/2004, S. 30), sondern eher ein »Rück- künftig aus ihm werden soll, ein entscheidendes Stück näher prall« (bounce) von einer vorherigen Kontraktions- zu einer bringen. Ÿ Expansionsphase, die mit der Erzeugung von Materie und Strahlung einhergeht. Die Theorie ist zyklisch, denn nach Der autor rund einer Billion Jahre geht die Expansion in Kontraktion Paul J. Steinhardt ist Direktor des Princeton cen- über, und diese führt dann über einen neuen Rückprall wie- ter for theoretical science an der Princeton der zur Expansion. Entscheidend ist, dass die Glättung des University (Us-bundesstaat New Jersey). er ist Universums vor dem Urknall stattfindet – während der Kon- Mitglied der National Academy of sciences und wurde 2002 für seine beiträge zur Inflations- traktionsperiode. Alle Ausreißergebiete schaffen sich quasi theorie mit der Dirac-Medaille des International selbst ab: Die Nachzügler ziehen sich noch weiter zusam- center for theoretical Physics ausgezeichnet. men, während brave Regionen bereits rechtzeitig den Rück- Außerdem war er an der entdeckung von Quasi- kristallen in der Festkörperphysik beteiligt. prall durchmachen und zu expandieren beginnen. Darum bleiben die Ausreißer vernachlässigbar klein. Die Glättung während der Kontraktion hat eine beobacht- quellen bare Konsequenz. Im Lauf jeder Glättungsphase, ob in der in- Carroll, S.: From eternity to here: the Quest for the Ultimate flationären oder der zyklischen Theorie, erzeugen Quanten- theory. Dutton Adult, New York 2010 fluktuationen kleine, sich ausbreitende Verzerrungen der Guth, A.: Die geburt des kosmos aus dem Nichts: Die theorie des Raumzeit, so genannte Gravitationswellen, die in der kos- inflationären Universums. Droemer knaur, München 2002 Linde, A.: Quantum cosmology, Inflation, and the Anthropic mischen Hintergrundstrahlung eine charakteristische Spur Principle. In: barrow, J. D. et al. (hg.): science and Ultimate reality: hinterlassen. Die Amplitude der Wellen ist proportional zur Quantum theory, cosmology and complexity. cambridge Universi- Energiedichte. Die Inflation müsste bei extrem hoher Dichte ty Press, 2004 des Universums stattfinden, während der entsprechende Steinhardt, P. J., Turok, N.: endless Universe: beyond the big bang. Doubleday, New York 2007 Vorgang im zyklischen Modell einen praktisch leeren Kos- mos voraussetzt. Darum wären die vorhergesagten Spuren webli n ks völlig verschieden: Ohne Inflation wären sie viel schwächer. Freilich ist die zyklische Theorie relativ neu und mag ihre www.scientificamerican.com/apr2011/inflation eigenen Probleme haben, doch sie zeigt, dass Alternativen Ein kurzes Video illustriert die ewige Inflation; US-Blogger diskutieren denkbar sind, die nicht mit dem unkontrollierbaren Makel den Artikel. http://arxiv.org/abs/hep-th/0609095 der ewigen Inflation behaftet sind. Unsere bisherigen Resul- Preprint von Gibbons, G. W., Turok, N.: The Measure Problem in tate legen nahe, dass das zyklische Modell auch andere hier Cosmology. In: Physical Review D 77, Paper Nr. 063516, 2008 beschriebene Probleme vermeidet. Diesen Artikel sowie weiterführende Informationen finden sie im Gewiss habe ich meine Plädoyers pro und kontra Inflation Internet: www.spektrum.de/artikel/1114584 extrem zugespitzt, ohne Nuancen und ohne ein Kreuzverhör 48 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 45. Physikalische unterhaltungen BEWEgUNgDERERDE Kalendergeschichten IrgendwoineinerSpiralgalaxietreibteinmittelgroßerSternmitallerleiPlaneten.Aufdemdritten wohnenLebe esen,derenLebenzeitlichinAbhängigkeitvondessenEigenrotationund w Umlaufzeitstrukturiertist.EineSpeziesaufdiesemPlanetenhatdafürsogarverschiedene Abzählsystemeentwickelt,vondenenhierdieRedeseinsoll. VoNNoRBERTTREITz D ass unsere Erde so ordentlich um die Sonne läuft, liegt ganz wesent lich daran, dass Letztere ein Einzelstern Der Tradition verdanken wir eine seltsame Begriffsvertauschung: Die An zeige der Sonnenuhr, die ja nur einen Die Neigung der Erdachse verursacht zusätzlich eine Gangabweichung mit halbjähriger Periode von maximal 20 ist und insofern zu einer Minderheit aktuellen Winkel der Erddrehung relativ Sekunden pro Tag, was sich auf bis zu der Sterne gehört. Ein Planet in einem zur Sonne wiedergibt, wird als »wahre acht Minuten Vor oder Nachgehen ak Mehrfachsternsystem würde sich im Sonnenzeit« bezeichnet, ihre Umrech kumulieren kann. strengen Sinn des Wortes chaotisch be nung in die physikalische Zeit dagegen Dass uns die Sonne mal näher, mal wegen. Dann wären Kalender wenig sinn als »mittlere Sonnenzeit«. Das ist unge ferner steht und uns entsprechend grö voll – wenn es denn überhaupt Kalen fähr so logisch, als würde man die An ßer oder kleiner erscheint, fällt ansons dermacher gäbe: Unter den wilden Tem zeige einer Pendeluhr ohne Tempera ten nur bei Sonnenfinsternissen auf: Je peraturschwankungen eines Planeten turausgleich in einer ungeheizten Woh nachdem, ob der – noch stärker schwan auf einer chaotischen Bahn hätten sich nung, die im Sommer langsamer geht kende – scheinbare Durchmesser des Lebewesen kaum entwickeln können als im Winter, die »wahre Zeit« nennen. Monds größer oder kleiner ist als der (siehe auch S. 95). Warum geht die Erde überhaupt un jenige der Sonne, kann er sie total oder Unsere komfortable Erde dagegen gleichmäßig? Einen Grund findet man nur ringförmig bedecken. Nennenswert gibt uns Gelegenheit, die Zeit mit Hilfe in den keplerschen Gesetzen: Die Erd wärmer wird es nicht bei uns, wenn wir eines astronomischen Geräts zu mes bahn ist eine Ellipse mit der Sonne in der Sonne am nächsten stehen; dazu ist sen: der Sonnenuhr. Denn von der Erde einem ihrer Brennpunkte. Die Entfer die Abweichung der Erdbahn von der aus gesehen, bewegt sich die Sonne stets nung beider Himmelskörper schwankt Kreisform zu gering. in dieselbe Richtung, ist also niemals also, und die Erde läuft umso schneller, rückläufig. Das ist auf dem Merkur an je näher sie der Sonne ist. Das folgt aus Die vielen Formen der Rotation ders, mit der Folge, dass man aus dem Keplers II. Gesetz (»Die Verbindungs Ein Planet ist nicht dazu verpflichtet, Sonnenstand nicht immer eindeutig linie überstreicht in gleichen Zeiten sich um sich selbst zu drehen – und auf die Tageszeit schließen kann (Spekt gleiche Flächen«), das seinerseits aus wenn überhaupt, darf er es auch so lang rum der Wissenschaft 4/2009, S. 36). dem Drehimpulserhaltungssatz her sam machen, wie er umläuft. Er wendet Mehr noch: Mittlerweile können wir leitbar ist. Der fordert zwar nur, dass dann seiner Sonne stets dieselbe Seite Atomuhren konstruieren, die noch viel der Gesamtdrehimpuls des Sonnensys zu. Auf eine solche gebundene Rotation genauer gehen als die Erde selbst. Seit tems erhalten bleiben muss und nicht hat sich infolge von Gezeitenkräften der 1967 ist die Sekunde über eine gewisse auch der einzelner Planeten; aber diese Mond mit der Erde eingestellt (Spekt Anregungsstufe in Zäsiumatomen defi wirken so wenig aufeinander ein, dass rum der Wissenschaft 6/2011, S. 50). Bis niert. Dass 86 400 (= 60 ⋅ 60 ⋅ 24) von ih sie – zumindest auf den ersten Blick – vor wenigen Jahrzehnten vermutete nen gerade die durchschnittliche Zeit keine nennenswerten Mengen an Dreh man, auch der Merkur halte es so mit zwischen zwei Sonnenhöchstständen impuls austauschen. der Sonne; das wurde erst 1965 durch (den »mittleren Sonnentag«) ergeben, Vom irdischen Standpunkt aus geht Radarbeobachtungen widerlegt. ist zwar beabsichtigt, denn die neue De die Sonne in der Nähe des Perihels (des Sind Rotations und Umlaufperiode finition der Sekunde sollte der bisheri Punkts größter Erdnähe) vor und in verschieden, so gibt es Tageszeiten, das gen, nämlich 1/86 400 des mittleren großer Entfernung von der Erde ent heißt periodische Änderungen von Be Sonnentags, möglichst nahekommen. sprechend nach. Die Abweichung leuchtung und Heizung, bereits auf Aber für die Physik, die sich ja ohnehin macht bis zu acht Sekunden pro Tag Grund der Eigendrehung. Jahreszeiten von den Zufälligkeiten unserer irdi aus und summiert sich zwischendurch muss es deswegen noch nicht geben: schen Existenz frei zu machen hat, ist auf bis zu sieben Minuten, bis sie sich Auf einem Planeten mit kreisnaher das eigentlich ohne Belang. im Lauf eines Jahres wieder ausgleicht. Bahn und Rotationsachse parallel zur 50 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 46. maNN mit ZyliNder:iStocKphoto / duNcaN p. WalKer; ferdiNaNd magellaN: puBlic domaiN Karte: iStocKphoto / NataSa radic; BearBeituNg: SpeKtrum der WiSSeNSchaft; Als die Mannschaft des Weltumseglers Ferdinand Magellan am 6. September 1582 nach wurde ein Schalttag nach dem 6. Tag Spanien zurückkehrte (blaue und – für die Zeit nach Magellans Tod – grüne Linie), war es vor den Kalenden des März (das heißt laut Schiffstagebuch erst der 5. September. Dagegen gewann der fiktive Phileas Fogg, dem 1. März) eingeschoben. Nach römi zurück von einer Weltreise in Gegenrichtung (rote Linie), wider Erwarten eine Wette, weil scher Zählweise kam dieser sechste Tag seine sesshaften Zeitgenossen einen Tag weniger gezählt hatten als er selbst. einfach doppelt vor; die französische Vokabel année bissextile (»zweimal der sechste«) für Schaltjahr, ähnlich in an Bahnachse sind heller Tag und dunkle sind der Gürtel der Erde zwischen den deren romanischen Sprachen, erinnert Nacht überall gleich lang. Die Rotati Wendekreisen). Es dauert 365,2419 mitt heute noch daran. onsachse der Erde ist allerdings gegen lere Sonnentage. Wegen der Präzession Zur Zeit des 1. Konzils von Nicäa im die Bahnachse geneigt, und zwar um der Erdachse – mit einer Periode von Jahr 325 »nach Christi Geburt« (die ih 23,44 Grad; bei ihrem kleineren Bruder ungefähr 25 750 Jahren – ist das tropi rerseits erst sechs Jahrhunderte später Mars sind es 25,2 Grad. sche Jahr um 21 Minuten kürzer als das und dabei vermutlich um sieben Jahre Stellen wir uns den Extremfall einer siderische Jahr; das ist der Zeitraum, falsch datiert wurde) war der Frühlings Neigung von 90 Grad vor. Dann liegt nach dem die Sonne wieder an dersel anfang am 21. März. Bis zum 16. Jahr die Rotationsachse in der Bahnebene, ben Stelle am Fixsternhimmel zu ste hundert war er wegen der zu langen Ka und wenn sie genau auf die Sonne zeigt, hen scheint. lenderjahre um zehn Tage nach hinten hat während einer ganzen Drehung ein auf den 11. März gewandert. und dieselbe Halbkugel Sonnenschein Schalttage, fein dosiert Wenn das noch eine Weile so weiter und die andere Schatten. Liegt die Rota Wenn man alle 365 Tage Neujahr feiert, gegangen wäre, hätte man bereits in tionsachse dagegen quer dazu, also tan wandern die Jahreszeiten in jedem Jahr ungefähr 13 000 Jahren Ostern und gential zur Bahn, so genießt die ganze um rund sechs Stunden vorwärts durch Weihnachten zugleich feiern können. Erde das Wechselspiel von Hell und den Kalender, also einmal ganz herum Denn Weihnachten ist ebenso wie die Dunkel, genauso wie bei der Neigung in 365/(365,2419 – 365) oder ungefähr Geburt des im spätrömischen Imperi null Grad. 1500 Jahren. Das kann aber nicht der um beliebten Gottes Mithras auf den Bei weniger extremen Neigungen Sinn eines Kalenders sein. Ein solcher 25. Dezember festgelegt – ein solches wie unseren 23,44 Grad schwächen sich sollte synchron zu den Jahreszeiten lau Datum sucht man in der Bibel verge diese Effekte ab zu einer Bevorzugung fen, notfalls mit einer geeigneten Mi bens. Dagegen ist Ostern auf Grund der der Nordhalbkugel, wenn das nördliche schung aus Jahren mit 365 und 366 Ta Leidensgeschichte Jesu mit dem jüdi »Ende« der Erdachse zum Bahninneren gen. Ein gutes Mischungsverhältnis ist schen Pessachfest verknüpft, das sei weist. Dann ist es bei uns Sommeran offenbar 3 : 1, was zu 365,25 Tagen als nerseits von den Mondphasen und den fang. Bei TagundNachtGleiche geht Näherung für das tropische Jahr führt. Jahreszeiten abhängt. Ostern ist am es ebenso zu wie bei 90 Grad Neigung. Das ist nun aber wieder etwas zu lang Sonntag nach dem ersten Vollmond im Die Zeitspanne zwischen zwei Som und schiebt die Jahreszeiten in rund 123 Frühling und kann daher im Prinzip meranfängen ist die Periode der Jahres Jahren um einen Tag rückwärts. durch den ganzen Kalender wandern, zeiten und wird als tropisches Jahr be Der julianische Kalender entspricht wenn man nicht rechtzeitig die passen zeichnet (tropos = Wende; die Tropen dieser Näherung: In jedem vierten Jahr de Menge an Schalttagen einschiebt. WWW.SPEKTRUM.DE 51
- 47. Physikalische unterhaltungen Der julianischeKalender tut hier sogar Problem II ist nämlich schon da Hätte man nun 1582 nur Problem II zu viel des Guten, so dass die Jahreszei durch zu lösen, dass es nicht mehr 100, behandelt, wäre erst einmal bis zum 28. ten scheinbar rückwärtswandern. sondern nur 97 Schalttage in 400 Jah Februar 1700 gar nichts passiert. Erst ei Da die römische Kirche in langen ren gibt. Konkret lässt man 1700, 1800, nen Tag später hätten der alte und der Zeiträumen denkt, befand sie die Ver 1900, 2100, 2200, 2300, 2500 … als neue Kalender sich unterschieden, und schiebung des Frühlingsanfangs vom Schaltjahre aus. Damit ist das Kalender das nur um einen einzigen Tag. Der 21. auf den 11. März (und damit des Os jahr im Mittel 265,2425 Tage lang, eine Frühlingsanfang wäre dann bis heute terfestes: nennen wir es Problem I ) und sehr gute Näherung für die 365,2419 ungefähr am 11. März geblieben; zwei das weitere langfristige Wandern (Prob Tage des tropischen Jahrs. Die Wande weitere Verschiebungen um je einen lem II ) für nicht akzeptabel, und so ver rung der Jahreszeiten(anfänge) durch Tag wären 1800 und 1900 hinzugekom fügte Papst Gregor XIII. 1582 einen Ka den Kalender wäre damit nicht nur für men. Eine so kleine Reform hätten auch lender »neuen Stils«. Aus heutiger Sicht normale Bürger und Landwirte, son die nichtkatholischen Länder vermut hätte er beide Probeme besser getrennt dern auch für die Kirche hinreichend lich akzeptiert. Tatsächlich hatten sich voneinander behandelt. langsam geworden. im maßgeblichen Jahr 1700 viele Län Alle (Orts-)Zeit der Welt Das Diagramm zeigt Uhrzeiten und Kalendertage in den (ide- Wenn alle Uhren auf der Erde synchron gehen würden – zum alisierten) Zeitzonen der Erde für einen willkürlich gewählten Beispiel 0 Uhr zeigen, wenn es in London Mitternacht ist –, dann Zeitraum. Bei dem Schema stelle man sich Ober- und Unter- wäre »ein Tag«, das heißt die Menge aller Punkte im Orts-Zeit- kante miteinander verklebt vor, desgleichen – mit etwas Über- Diagramm, an denen es zum Beispiel Freitag ist, ein Rechteck. lappung – bei der links davon abgebildeten flächentreuen Dagegen ist nach der gültigen Konvention – jede Uhr zeigt (Archimedes-Lambert-)Zylinderkarte der Erde. Das Diagramm 0 Uhr, wenn es in ihrer Zeitzone Mitternacht ist – ein Tag ein darf man sich nach rechts und links beliebig fortgesetzt den- Parallelogramm, begrenzt von der Mitternachtsdiagonale ken: als eine unendlich lange, waagerecht liegende Zylinder- (weiß) und der Datumsgrenze (rot). Das Parallelogramm vom röhre, die nur zu Darstellungszwecken parallel zur Achse auf- Freitag ist hier in zwei Teile zerlegt (links oben und rechts un- geschlitzt und in die Papierebene ausgebreitet wurde. ten); Teile von ihm liegen außerhalb des Schemas. 0 London 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 15 Berlin 30 Kairo 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 45 Bagdad 60 Aralsee 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 75 Bombay Ost 90 Kalkutta 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 105 Singapur 120 Manila 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 Adelaide geografische Länge 135 150 Sydney 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 165 Neukaledonien Freitag Samstag 180 Fidschi 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 165 Donnerstag Freitag Hawaii 150 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 135 120 Los Angeles 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 105 Denver West 90 New Orleans 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 75 New York 60 Buenos Aires 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 45 Rio de Janeiro 30 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 15 Dakar 0 London 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 SpeKtrum der WiSSeNSchaft, Nach: NorBert treitZ physikalische Zeit 52 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 48. der sogar derviel drastischeren gregori den Jahresanfang – mit Wechsel der Wann ist bei den üblichen Ladenöff anischen Reform angeschlossen. Jahreszahl! – am 25. März, dem Feiertag nungen Halbzeit? Wenn die Auswande Problem I bestand im Einfangen der Mariä Verkündigung. Nach dem grego rer geahnt hätten, dass man später ein zehn Tage, um die der alte (julianische) rianischen Kalender starb Newton übri mal über den Ozean telefonieren kann, Kalender der Realität hinterherhink gens am 31. März 1727. hätten sie möglicherweise ihre Uhren te. In den katholischen Ländern ein Da Russland sich mit der Übernahme mit denen ihrer Heimatländer überein schließlich der entsprechenden Mit des gregorianischen Kalenders bis 1918 stimmend gelassen. Natürlich müsste gliedsländer des Heiligen Römischen Zeit ließ, schrieb der größte Teil der Welt man sich trotzdem überlegen, ob man Reichs und Kantone der Schweiz folgte schon den 7. November 1917, als die Ok den Partner aus dem Schlaf klingelt, auf Donnerstag, den 5. Oktober 1582, toberrevolution stattfand. Als der Ver aber ob die Geschäfte von 10 bis 20 oder Freitag, der 15. Oktober. Das war zu viel kauf RussischAmerikas an die USA wirk von 4 bis 14 Uhr angezeigter Zeit geöff für Protestanten aller Art: In dieser Zeit sam wurde, folgte auf Freitag, den 6. Ok net sind, ist eigentlich egal. erbitterter Gegnerschaft zwischen »Pa tober 1867, Freitag, der 18. Oktober. Und Richtig schwierig wird es erst mit pisten« und antipapistischen Konfessio wäre bei dieser Gelegenheit die Datums dem Datum. Wenn man auf der ganzen nen wäre die Übernahme einer päpst grenze nicht von der russischkanadi Erde die Zeitrechnung verwenden wür lichen Kalenderreform fast einer religi schen Grenze zur Beringstraße verlegt de, bei der die Sonne um 12 Uhr in ösen Unterwerfung gleichgekommen. worden, dann wäre der erste Tag Alaskas Greenwich (im Durchschnitt) ihren Über Jahrhunderte hinweg zählten nun in amerikanischer Hand Samstag, der Höchststand hat, dann wechseln an an verschiedene Länder Europas die Tage 19. Oktober, gewesen. deren Stellen der Erde mitten am Tag verschieden, mit verwirrenden und das Datum und der Wochentag. Zieht zum Teil kuriosen Folgen. Die Tücken der Datumsgrenze man es dagegen vor, den Datumswech So starb Miguel de Cervantes am 23. Wenn Flugzeug, Telefon und Rundfunk sel in der Regel zu verschlafen, ist es un April 1616 in Spanien, wo der neue Ka früher als Uhren erfunden worden wä vermeidlich, die Erde in Zeitzonen ein lender galt. Dasselbe Datum schrieb ren, würde man vermutlich auf der gan zuteilen (Kasten links). Ebenso unver man in England, als William Shakes zen Erde in jedem Augenblick eine ge meidlich gibt es dann benachbarte Orte peare starb. Die UNESCO hat deshalb meinsame Uhrzeit und ein gemeinsa mit nur einer Stunde Unterschied in den 23. April (jedes Jahres) zum Welttag mes Datum verwenden, und man hätte der Uhrzeit, aber verschiedenem Da des Buchs und des Urheberrechts ge nicht überall den Mittag um 12 Uhr – tum und Wochentag. Das ist der Preis, macht. Der Börsenverein des Deut was man auch heute nicht wirklich hat. den wir für die Festlegung verschiede schen Buchhandels spricht sogar auf Wer vom Nordosten Norwegens nach ner Zeitzonen zahlen müssen. seiner Homepage von »dem Todestag« Santiago de Compostela pilgert, muss Damit das nicht so auffällt, nutzt von Cervantes und Shakespeare. Wie seine Uhr nicht umstellen. Wer dagegen man die Tatsache, dass es durch den Pa man leicht ausrechnen kann, hat aber einmal rund um die Erde reist, wie es zifischen Ozean einen Meridian gibt, Shakespeare Cervantes um zehn Tage Fernão de Magalhães, besser bekannt der keine Kontinente berührt, sondern überlebt. Welch ein Mangel an sprachli als Ferdinand Magellan, und – in Jules zwischen Sibirien und Alaska durch die cher Genauigkeit ausgerechnet auf Sei Vernes Roman »In 80 Tagen um die Beringstraße läuft. Die tatsächliche Da ten von Institutionen, die der Sprache Welt« – Phileas Fogg getan haben, und tumsgrenze geht aber im Zickzack um und der Kultur verpflichtet sind! jeden Sonnenaufgang als den Beginn ei einzelne Inselstaaten herum und ist an Als Physiker findet man es bemer nes neuen Tages zählt, fängt sich eine lässlich des Anfang 2000 um ein Jahr kenswert, dass Newton im gleichen Jahr Unstimmigkeit von einem Tag ein (Bild verfrüht gefeierten Jahrtausendwech 1642 geboren worden sei, in dem Galilei S. 51). Reist man nach Osten, so sind die sels noch verschoben worden, um Tou starb, auch wenn man Seelenwanderung gezählten Tage kürzer als die richtigen. risten anzulocken, die solche Willkür nicht wirklich für wahrscheinlich hält, Dummerweise haben die Menschen lichkeiten wichtiger nehmen als Fakten weder im Allgemeinen noch speziell bei beim Auswandern in ferne Länder die und nebenbei dem Irrglauben anhän diesen beiden. Aber stimmt es über Gewohnheit mitgenommen, ihre Uh gen, ein Jahrtausend sei dann beendet, haupt? Wenn Sie in der Wikipedia nach ren mittags auf 12 zu stellen, statt sie wenn das tausendste Jahr anfängt, und sehen, finden Sie unter Newton je nach synchron zu den Uhren ihrer Heimat nicht, wenn es aufhört. Ÿ Kalender zwei verschiedene Jahreszah laufen zu lassen. So zeigen die Uhren in len – und nebenbei eine andere schein New York 7 Uhr, wenn es in London 12 der autor bare Unstimmigkeit, die aber mit der Uhr (Mittag) ist. Aber welchen Sinn hat gregorianischen Kalenderreform nichts diese Konvention in Zeiten häufiger Norbert Treitz ist pensio- nierter professor für zu tun hat: Newton starb laut Grabstein Fernreisen und erdumspannender Da didaktik der physik an am 20. März 1726, wurde aber laut tenübermittlungen? Liegen die Zeiten, der universität duisburg- »Times« erst am 28. März 1727 beerdigt. zu denen Sie aufstehen und sich schla essen. Wie das? In England hatte man damals fen legen, etwa symmetrisch zu 12 Uhr? WWW.SPEKTRUM.DE 53
- 49. schlichting! IchmeinenichtdenWüstensand, DenTummelplatzdeswildenHirschen; alle Fotos: H. JoacHim scHlicHting DieKörnermein’ich,dieamStrand DesMeeresuntermirerknirschen. Ferdinand Freiligrath (1810 – 1876) Spaziergang am Meer Weil sich Wasser gern um Sandkörner legt, läuft man am Strand wenn er durch die Finger fließt. Wir wis zuweilen wie auf einem befestigten Weg. sen auch, dass er in einem Gefäß, wenn man es nur etwas rüttelt, eine ebene VoNH.joAC H IM S C H l IC HTI Ng Oberfläche ausbildet. Wollen wir hin gegen Sandburgen bauen, hilft uns tro B ei einer Strandwanderung spazie ren wir wohl am liebsten direkt am Meeressaum. Schließlich ist dort das gungsenergie in Form von Wärme oder durch Verformung des Bodens verlo ren. Doch was ist, wenn sich die Sand ckener Sand nicht weiter. Doch warum ist nur feuchter Sand fest? Wäre nicht das Gegenteil viel plausibler? Lässt Was Wasser am nächsten und das Meeres körnchen in trockenem Sand leicht ge ser zwischen den Körnern diese nicht rauschen am beeindruckendsten. Doch geneinander verschieben lassen? Dann besonders leicht aneinander entlang für diese Vorliebe dürfte es auch noch drücken wir sie zunächst nach unten gleiten – sozusagen wie geölt? einen sehr praktischen Grund geben: weg. Weil der Boden dort dichter wird, Sandkörner umgeben sich gern mit Der nasse Sand ist fest und hart, man weichen sie schließlich zu den Seiten Wasser. Häuft man eine Portion Sand läuft fast wie auf einem befestigten hin aus, während die Füße tief einsin in einer flachen Schale auf und gibt et Weg (Foto oben). Weiter ab vom Wasser, ken. Die Wechselwirkung zwischen Fü was Wasser an den unteren Rand des beim Gang durch den trockenen – oft ßen und Boden ist in diesem Fall sehr Schütthaufens, durchnässt es den Hau auch brennend heißen – »Zuckersand«, unelastisch: Die aufgewandte Energie fen von unten nach oben in sehr kurzer ist man hingegen froh, überhaupt vo dient weniger dem Vortrieb als dazu, Zeit, bis jedes Sandkörnchen mit einem ranzukommen. Unmengen von Sandkörnern zu ver Feuchtigkeitsfilm überzogen ist. Zwar Von festem Untergrund kann man schieben – man hat wortwörtlich kei muss dafür Höhenenergie aufgebracht sich in einer Art elastischem Stoß ab nen festen Boden mehr unter den Fü werden. Doch für die Ausbildung einer drücken. Das heißt, es geht kaum Bewe ßen. Erst vergleichsweise spät kommen Grenzfläche zwischen Wasser und Sand die zunächst locker zusammengefüg korn ist weniger Grenzflächenenergie ten Partikel durch ihre Reibung unter nötig als für die Ausbildung einer Man fülle eine Schale mit Wasser und Sand einander zum Stillstand. Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. (links) und drücke sie zusammen (rechts). Schon als Kinder haben wir die Diese Differenz stellt Energie zur Ver Dadurch wölbt sich der Sand auf, das Volu- Erfahrung gemacht, dass Zuckersand fügung, sogar mehr als nötig. Der Über men zwischen den Körnchen wächst, nicht wie ein fester Körper wirkt, son schuss geht durch Dissipation verloren, und die oberen Schichten laufen trocken. dern eher einer Flüssigkeit gleicht, wird also als Wärme an die Umge 54 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 50. Lässt man Wassertropfenauf einen Haufen trockenen Sands fallen (links), so rollen mehr oder weniger wohlgeformte, feuchte Sandkugeln hinab. Denn in Kugelform sind die Körnchen maximal dicht gepackt, so dass die Grenzflächenenergie minimal wird. Die Gewichtskraft eines Fußes (rechts) kann allerdings verhindern, dass Sandkörner ihre Packungsdichte beibehal- ten. Ein trockener »Hof« entsteht. kommen: Warum ist feuchter Sand un und die oberste Sandschicht gewisser ter den Füßen so fest? Offenbar hat er maßen trockengelegt. Die für all das er die unter den gegebenen Bedingungen forderliche Energie bringt natürlich der größtmögliche Packungsdichte ange einsinkende Fuß auf. nommen. Verschiebt man die Sandteil Das Phänomen lässt sich auch fern chen gegeneinander, muss man dies von Sandstränden leicht nachstellen. entgegen der verbindenden Wirkung Dazu füllen wir ein verformbares Gefäß des Wassers tun, was nur unter Auf mit Sand und tränken ihn mit Wasser – wand von (Grenzflächen)Energie zu so lange, bis er von einer hauchdünnen haben ist. Nun summieren sich die Ein Wasserschicht bedeckt ist und feucht zelenergien so vieler Teilchen aber zu glänzend erscheint (Fotos linke Seite einem recht ansehnlichen Energiebe unten). Drückt man die Schale zusam trag. Der Boden wirkt also hart, weil wir, men, wölbt sich der Sand ebenfalls et um ihn zu verformen, diesen Betrag was auf. Binnen eines Sekundenbruch erst einmal durch den Druck unserer teils laufen dann die oberen Schichten Füße aufbringen müssten. trocken. Dass man das Trockenlaufen Ein benetzter Finger, den man in trockenen Eine kleine Veränderung zeigt sich so schnell wahrnimmt, liegt übrigens Sand steckt, ist danach bis zur Feuch- allerdings dennoch. Setzen wir den Fuß daran, dass trockener Sand heller er tigkeitsgrenze mit Sandkörnern bedeckt. auf feuchten Sand, breitet sich in dem scheint als nasser – doch das ist wieder Maß, in dem wir den Druck auf den Bo eine andere Geschichte. den steigern, ein Hof trockengelegten »So leicht und angenehm … auf dem bung abgegeben. Dass all diese Prozes Sands aus (oben rechts). Hebt man den glatten, festen, gespülten und federnden se spontan, also wie von selbst ablau Fuß wieder an, so sammelt sich Wasser Sandboden am Saume des Meeres« zu fen, ist Ausdruck der universellen Ten in der flachen Delle, die wir in den Bo gehen, das genoss schon Thomas Mann. denz zu stets zunehmender Entropie den gedrückt haben. Und während die Wir können es ihm nun gleichtun – und (siehe »Das HeizParadoxon«, Spektrum Fußspur verschwindet, verschwindet wissen obendrein, wie die Natur diesen der Wissenschaft 1/2011, S. 48). auch das Wasser wieder. Pfad für uns befestigt hat. Ÿ Die Anziehung zwischen Sand und Denn ein wenig geben die Sandkör Wasser ist sehr stark: Ein Kollektiv be ner doch nach. Sie werden vom einsin der autor feuchteter Sandkörner organisiert sich kenden Fuß zu den Seiten weggedrückt in einer Weise, dass die Körner maximal und dort aufgewölbt. Dort bilden sie H. Joachim Schlichting ist Direktor des insti- dicht »gepackt« sind. Zunächst wirkt unter anderem kleine Brücken, die wie tuts für Didaktik der das Wasser dabei tatsächlich wie ein eine Torwölbung die Gewichtskraft nach Physik an der Univer- Schmiermittel und setzt die Reibung den Seiten »ableiten«. Diese wirkt daher sität münster. 2008 erhielt er für seine zwischen den Körnern stark herab. nicht nur senkrecht nach unten, son didaktischen Konzepte Doch in dem Maß, in dem die Packungs dern auch zur Seite. Durch die unelasti den Pohl-Preis der dichte dem Maximalwert zustrebt – im sche Wechselwirkung verschieben sich Deutschen Physikali- schen gesellschaft. Foto ganz oben wird näherungsweise die bis dahin maximal dicht gepackten Kugelform erreicht –, steigt auch die Sandkörner gegeneinander, so dass der Quelle Energie, die nötig ist, um die Körner freie Raum zwischen ihnen wächst. Be Blossey, R.: Was eine sandburg im wieder voneinander zu entfernen. vor nun ein Vakuum entstehen kann, innersten zusammenhält. in: Physik Mit diesen Ergebnissen gerüstet kön wird Wasser aus den benachbarten Be Journal 7, s. 17, 2008 nen wir auf die Eingangsfrage zurück reichen in diesen Raum hineingesogen WWW.SPEKTRUM.DE 55
- 51. SERIEPHILOSOPHIE(TEIL11)|KOgNITION Sprache und Denken Wie engsind beide verknüpft? Vollzieht sich Denken immer als innerer Monolog? Oder kommt es auch ohne Wörter aus? Von Gottfried Vosgerau Heureka »D ie Menschen glauben, ihr Verstand gebiete se spitzfindige Unterscheidung mag zwar richtig sein, aber den Worten; es kommt aber auch vor, dass versuchen Sie mal, irgendeinen Ihrer Gedanken zu Papier zu die Worte ihre Kraft gegen den Verstand bringen, ohne dabei Wörter zu benutzen! Das können allen- umkehren.« Diesen »Gedanken« schrieb falls Mathematiker. Francis Bacon 1620 in seinem Werk »Neues Organon« nieder. Das grundlegende Problem, das in diesen Beispielen sicht- Aber was genau ist daran der Gedanke? Besteht er in dem bar wird, ist die Frage nach dem Verhältnis von Sprache und Satz selbst oder stattdessen in einer abstrakten Idee, die in Denken. Benutzen wir die Sprache, um unsere Gedanken ihm nur ihren sprachlichen Ausdruck findet? Als ich einmal zum Ausdruck zu bringen, oder ist sie selbst das Medium, in einen Vortrag hielt, redete ich über einen Gedanken, den ich dem wir denken? auf einer Folie notiert hatte. Ein Kollege sagte: »Du sprichst Viele werden den Eindruck haben, beim Denken so etwas über einen Gedanken, aber auf der Folie steht ein Satz!« Die- wie einen inneren Monolog zu führen. Ist Denken also im Wesentlichen inneres Sprechen? Das erscheint intuitiv plau- auf einen blick sibel. Allerdings beobachten wir den inneren Monolog nur, wenn wir uns darauf konzentrieren und nichts sonst tun. Es WORTEALSFLügELDERgEDANKEN? könnte also sein, dass das innere Sprechen nur dann mit dem 1 Bewusstes Nachdenken ist oft verbunden mit innerem Spre- chen. Allerdings zeigt etwa das gelegentliche Ringen um Worte für einen Gedanken, der klar vor unserem geistigen Augen steht, Denken einhergeht, wenn wir unseren Sprachapparat zu nichts anderem gebrauchen. Möglicherweise handelt es sich dass Denken nicht generell an Sprache gebunden sein kann. also lediglich um eine Begleiterscheinung des Denkens, die für es selbst nicht notwendig ist. 2 Zwar kommt Denken nicht ohne Begriffe aus, aber auch diese können nichtsprachlich sein. So ergaben Versuche mit Tieren, dass sie zumindest über einfache Begriffe und damit über einfache In der Tat liefert unsere Alltagserfahrung genügend Bei- spiele, die diese Vermutung stützen. In der Regel versuchen Gedanken verfügen. wir, unsere Gedanken sprachlich auszudrücken. Wenn diese 3 Philosophen streiten darüber, inwieweit Sprache unser Denken formt. Dabei geht es insbesondere um die Frage, ob sie Struk- turen bereitstellt, die vorsprachliches Denken allein nicht hervor- schon in Sprachform vorlägen, wäre das keine zusätzliche Leistung. Tatsächlich kommt es aber oft genug vor, dass wir bringt. um Worte ringen: Wir wissen, was wir denken und gerne aus- drücken möchten, finden aber nicht die richtige Formulie- 56 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 52. MENSCHKULTUR iO n at uS tr Es ist eine alte Streitfrage: Nehmen Gedanken im Kopf Heureka g il l r Jun ale xa n De generell Sprachform an, oder können wir auch anders denken – etwa in Symbolen oder Bildern? rung dafür. Oder wir versuchen krampfhaft, ein komplexes wissen, was eine Wahrnehmung ist? Sicher nicht! Über den Problem zu verstehen, doch alle sprachlichen Erklärungen Begriff von Wahrnehmung zu verfügen, bedeutet unter an- nutzen nichts. Erst eine bildliche Darstellung – ein Diagramm derem, zu wissen, dass Wahrnehmungen falsch sein können. etwa – lässt den Groschen fallen. Würden wir in Sprache den- Ob sich die Katze darüber im Klaren ist, darf bezweifelt wer- ken, sollten uns sprachliche Erklärungen wesentlich besser den. Im gleichen Sinn sollte es auch möglich sein, einen Ge- helfen als Bilder. danken zu haben, ohne zu wissen, was Gedanken sind. Es gibt zwei weitere generelle Einwände gegen die These, Wie wichtig ist es, zu wissen, was Überzeugungen sind? Denken sei sprachabhängig. Erstens ist unbestreitbar, dass Ein prominenter Verfechter der Sprachabhängigkeit des Den- kens war der amerikanische Philosoph Donald H. Davidson spektrum-serie (1917 – 2003). Er argumentierte, echtes Denken setze voraus, dass wir über den Begriff der Überzeugung verfügen: Nur DIEgRöSSTENRäTSELDERPHILOSOPHIE wer wisse, was es bedeutet, eine Überzeugung zu haben, kön- Interview mit Julian Nida-Rümelin März 2011 ne auch selbst Überzeugungen haben. Um den Begriff der Teil 1 Albert Newen: Wer bin ich? Überzeugung zu erwerben, müssten wir uns aber mit ande- Teil 2 Michael Pauen: Willensfreiheit ren austauschen und deren Überzeugungen kennen lernen. Teil 3 Tobias Schlicht: Bewusstsein April 2011 Das wiederum setze sprachliche Kommunikation voraus. Teil 4 Albert Newen: Das Verhältnis von Mensch und Tier Das Argument zielt also nicht darauf ab, dass wir zum Bei- Teil 5 Sabine Döring: Gefühl und Vernunft Mai 2011 Teil 6 Elke Brendel: Skepsis und Wissen spiel das Wort »Regen« gelernt haben müssen, um über Re- gen nachdenken zu können. Vielmehr sieht Davidson in der Teil 7 Michael Esfeld: Philosophie der Physik Juni 2011 Teil 8 Marcel Weber: Philosophie der Biologie Sprachfähigkeit generell eine Voraussetzung für Denken. Teil 9 Julian Nida-Rümelin: Gerechtigkeit Juli 2011 Auch diese Argumentation hat jedoch ihre Schwachstel- Teil 10 Wilfried Hinsch: Menschenrechte len. Der gewichtigste Einwand ist, dass das Denken eines Ge- fOtOlia / DaVi SaleS Teil 11 Gottfried Vosgerau: Sprache und Denken August 2011 dankens nicht dasselbe ist wie das Wissen darüber, dass man Teil 12 Albert Newen und Kai Vogeley: gerade einen Gedanken denkt. Eine Katze zum Beispiel kann Den anderen verstehen mit Sicherheit Dinge wahrnehmen. Muss sie dafür aber auch WWW.SPEKTRUM.DE 57
- 53. wir Sprache zunächsterwerben müssen. Wie aber soll man Mit frDl. gen. VOn arlene leVin-rOWe, PePPerberg lab, branDeiS uniVerSity einen sprachlichen Ausdruck erlernen, wenn man den zuge- hörigen Gedanken noch gar nicht denken kann? Der Philosoph José Luis Bermúdez von der Texas AM University in College Station hat das anhand des Wortes »ich« erläutert. Ein Kind wird die Bedeutung dieses Wortes nicht lernen, wenn es nicht in der Lage ist, sich selbst als die eigene Person gedanklich zu fassen. Wohlgemerkt geht es nicht darum, dass Kinder »ich« sagen und dieses Wort zum Beispiel wie einen Namen verwenden, sondern um das Erler- nen der Bedeutung von »ich«. Diese lässt sich so umschrei- ben: Wer das Wort »ich« gebraucht, meint damit sich selbst. Erst wenn ein Kind Ich-Gedanken bilden kann, indem es sich zum Beispiel als Quelle der eigenen Handlungen – inklusive des eigenen Sprechens – erfasst, vermag es auch die Bedeu- tung des Wortes »ich« zu begreifen. Der zweite generelle Einwand beruht darauf, dass man bei nichtsprachlichen Wesen wie Tieren und Kleinkindern in- zwischen ein sehr weites Spektrum an kognitiven Fähigkei- ten kennt, die sich nicht grundlegend von denen erwachse- ner Menschen unterscheiden. Unter diesen Umständen wäre es reine Willkür, den einen Denken zuzusprechen und den Versuche mit dem Graupapagei Alex ergaben, dass er über anderen nicht. Das aber zwingt zu dem Schluss, dass Gedan- erstaunliche begriffliche Fähigkeiten verfügte – eine Voraus- ken unabhängig von Sprache möglich sind. setzung für Denken. Auch ein Hund sieht, dass ein Auto rot ist Was macht Denken aus? Ein typischer Gedanke – etwa »das Kategorisierung vorzunehmen, bei der all seine Eigenschaf- ist ein rotes Auto« – zeichnet sich dadurch aus, dass er Be- ten richtig zugeordnet werden (etwa rot als Farbe, hölzern als griffe enthält – in diesem Fall Rot und Auto –, die er auf Ge- Material). Was das im Einzelnen bedeutet, lässt sich sehr schön genstände anwendet. Darin liegt der Unterschied zur bloßen am Beispiel des Graupapageien Alex (1976 – 2007) zeigen (sie- Wahrnehmung. Auch ein Hund kann sehen, dass das Auto he Bild oben). Die Verhaltensforscherin Irene M. Pepperberg rot ist, ohne einen Begriff von Rot oder Autos zu haben. Er von der Brandeis University in Waltham (Massachusetts) trai- vermag lediglich Rot von anderen Farben zu unterscheiden. nierte das Tier und zeigte in mehreren Versuchsreihen, dass Dieselbe Fähigkeit haben selbst einfache Messinstrumente – es über begriffliche Fähigkeiten verfügt. Diese äußerst ein- etwa ein Rotlichtdetektor, der ein Signal gibt, sobald rotes flussreichen Studien trugen Alex sogar einen Eintrag bei Wiki- Licht auf ihn fällt. Von Denken kann da selbstverständlich pedia ein: http://de.wikipedia.org/wiki/Alex_(Graupapagei). keine Rede sein. Der Papagei konnte diverse Farben, Materialien und For- Die Frage, wie sich Begriffe am besten charakterisieren men voneinander unterscheiden und dieses Wissen auch auf lassen, hat in der Philosophie eine lange Tradition. Laut einer neue Gegenstände anwenden (Bedingungen 1 und 2). Er ver- aktuellen Theorie, die Albert Newen von der Universität Bo- mochte durch Laute anzugeben, in welcher Kategorie zwei chum und Andreas Bartels von der Universität Bonn aufge- Gegenstände verschieden oder gleich sind (zum Beispiel: stellt haben, muss jemand vier Bedingungen erfüllen, um Farbe ist gleich, Form nicht; Bedingung 3). Zudem antwortete über den Begriff Rot zu verfügen. Diese sind: Alex gezielt auf die ihm gestellten Fragen und plapperte 1) die Eigenschaft, rot zu sein, an ganz unterschiedlichen nicht einfach drauflos, wenn ihm ein Gegenstand präsentiert Dingen feststellen zu können; wurde (Bedingung 4). 2) an einem Gegenstand auch andere Eigenschaften fest- Neben solchen Kategorisierungsleistungen, die auch bei stellen zu können wie die, aus Metall zu sein; Kleinkindern nachweisbar sind, geben Begriffe unseren Ge- 3) Rot als zusammengehörig mit anderen Farben, aber danken eine gewisse Struktur, die neue systematische Kom- nicht etwa mit Formen zu verstehen; binationen zulässt. Wer zum Beispiel über die Begriffe Elefant 4) den Begriff nicht reflexhaft zu verwenden, sondern bis und Rot verfügt, ist in der Lage, sich rote Elefanten vorzustel- zu einem gewissen Grad auch unabhängig von der Wahrneh- len, obwohl er solche Tiere sicher noch nie gesehen hat. mungssituation. Der Nachweis dieser Fähigkeit fällt bei nichtsprachlichen Die vier Bedingungen stellen sicher, dass es nicht bloß dar- Wesen natürlich schwer. Ein Anzeichen dafür ist, dass sie die um geht, einen Gegenstand zu klassifizieren, ihn also in eine betreffenden Begriffe auch auf Gegenstände mit neuen Kom- von mehreren Schubladen einzusortieren, sondern eine echte binationen von Eigenschaften anwenden können. 58 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 54. Eine solche Kombinationsleistunghaben Nicola S. Clayton hält es sich mit theoretischen Begriffen wie Elektron. Sie er- und Anthony Dickinson von der University of Cambridge fordern ein Verständnis der ganzen Theorie, in die sie ein- (England) bei Hähern nachgewiesen (Bild unten). Die For- gebunden sind. Theorien aber werden immer in Sprache scher versteckten zwei Arten von Futter, von denen das eine verfasst. Darum sind solche Begriffe ebenfalls ihrem Wesen (A) besser schmeckte als das andere (B), aber sehr viel schnel- nach sprachabhängig. In diesem Fall mag es somit vorkom- ler ungenießbar wurde. Durften sich die Vögel an die Futter- men, dass »die Worte ihre Kraft gegen den Verstand umkeh- suche machen, bevor A verdorben war, gruben sie dieses ge- ren«, wie Bacon sagt. zielt aus. Mussten sie dagegen länger warten, holten sie sich Folglich existieren Denken und Sprache zwar unabhängig nur noch Futter B. Die Tiere waren demnach in der Lage, die voneinander, können sich aber wechselseitig beeinflussen. zeitliche und die räumliche Information miteinander zu ver- Daraus ergeben sich zwei grundsätzliche Fragen: knüpfen. Das erfordert eine mentale Struktur, die derjenigen 1) Wie lassen sich (nichtsprachliche) Gedanken charakteri- von Gedanken gleichkommt. Häher können – so der nahelie- sieren und abgrenzen von grundlegenderen Phänomenen gende Schluss – also bis zu einem gewissen Grad denken. wie der Wahrnehmung? 2) Wo genau beginnt Sprache, unser Denken zu formen, Was haben Strafzettel und Elektron gemeinsam? und in welcher Weise geschieht das? Wir haben also gute Gründe anzunehmen, dass es Denken Bei der Beantwortung der ersten Frage ist darauf zu ach- ohne Sprache gibt. Aber was heißt das genau? Liegt demnach ten, dass die Charakterisierung genügend Erklärungskraft jedem Satz, den wir äußern, ein Gedanke zu Grunde, der hat. Wenn nichtsprachliche Tiere wie Papageien und Häher selbst nichts mit Sprache zu tun hat? Wohl nicht: Manche Be- Verhaltensweisen an den Tag legen, die wir beim sprachbe- griffe setzen einen sprachlichen Hintergrund voraus. Neh- gabten Menschen durch Gedanken erklären, dann sollten wir men Sie zum Beispiel den Begriff Strafzettel. Um ihn zu er- ihnen gleichfalls Denkvermögen zubilligen. fassen, müssen Sie verstehen, was gesellschaftliche Regeln Allerdings gilt es, den Begriff der Gedanken nicht zu trivia- sind und dass Zuwiderhandlungen Sanktionen wie Bußgel- lisieren, damit seine Erklärungskraft nicht verwässert wird. der nach sich ziehen. So sollte man von durchdacht wirkendem Verhalten nicht Diese sehr ausdifferenzierten sozialen Konventionen wer- automatisch auf Denkvermögen schließen. Zum Beispiel tra- den durch Sprache vermittelt und festgelegt. Deshalb scheint gen Ameisen tote Artgenossen aus dem Bau. Dieses Verhal- es unmöglich, ohne Sprache eine Vorstellung davon zu ge- ten wird durch einen bestimmten Duftstoff ausgelöst, den winnen, was Wörter wie Strafzettel bedeuten. Ähnlich ver- die Kadaver absondern. Die Ameise denkt dabei nichts, son- Blauhäher sind in der Lage, zeitliche und räumliche Informationen miteinander zu verknüpfen, was auf begriffliches Denken hindeu- tet. So pickten sie in Versu- chen nicht mehr nach ver- steckten Leckerbissen, wenn deren Haltbarkeitsdauer überschritten war. nicOla S. claytOn unD ian cannell, uniVerSity Of caMbriDge WWW.SPEKTRUM.DE 59
- 55. dern reagiert nurreflexartig. Wo allerdings die Grenze zwi- hinterher, sondern auch bei der Zuschreibung von Gedan- schen starren Reiz-Reaktions-Ketten und einfachen Gedan- ken. Wachsen sie hingegen mit Gebärdensprache auf, zei- ken genau verläuft, ist schwierig zu entscheiden und bietet gen sie keinerlei Verzögerung in beiden Fähigkeiten. Durch noch reichlich Stoff für Diskussionen. weitere empirische Forschung wird sich der Einfluss der Bei der zweiten Frage lässt sich ein empirischer Aspekt Sprache auf die Entwicklung des Denkens immer genauer von dem philosophischen Problem trennen; denn man kann angeben lassen. experimentell feststellen, welche kognitiven Fähigkeiten Der philosophische Aspekt der Frage ist damit allerdings Sprache voraussetzen. Damit beschäftigt sich der Entwick- noch nicht beantwortet: Welches sind die wesentlichen Ver- lungspsychologe Hannes Rakoczy von der Universität Göt- änderungen, die Sprache beim Denken bewirkt? Kann sie tingen. Ihm geht es vor allem um die Entwicklung der Fähig- zum Beispiel Strukturen bereitstellen, die vorsprachliches keit, anderen Menschen geistige Zustände wie Gedanken zu- Denken allein nicht hervorzubringen vermag? Und ermög- zuschreiben. licht Sprache vielleicht ganz neue Arten von Begriffen, die Dabei zeigt sich, dass Menschenaffen und sogar Kleintiere sich nicht mehr vollständig auf einfache Gedanken zurück- zwar über ein grundlegendes Verständnis der Absichten an- führen lassen? derer verfügen; doch die Fähigkeit, die eigenen Überlegun- Darüber wird unter dem Stichwort »Grounded Cognition« gen von denen anderer zu unterscheiden, entwickelt sich in jüngster Zeit heftig diskutiert. Es geht dabei um die Frage, nur beim Menschen zusammen mit der Sprache. So hinken ob unser Denken im Wesentlichen auf anderen, grundlegen- taube Kinder, die lautsprachlich erzogen werden, ihren Al- den Fähigkeiten aufbaut oder ob es sich um eine eigenstän- tersgenossen nicht nur in der Sprachentwicklung deutlich dige Fähigkeit handelt, die nicht von anderen abhängt. Im ersteren Fall könnte es durch Sprache nicht entscheidend be- einflusst werden. Das scheint jedoch ziemlich unplausibel. Die Fähigkeit zu sprechen ist die Voraussetzung dafür, die eige- Wenn dagegen eine eigenständige Denkfähigkeit existiert, nen Überlegungen von denen anderer unterscheiden zu können. fragt sich, worin diese besteht, und wie sie sich entwickeln Das zeigt sich bei tauben Kindern, die lautsprachlich erzogen kann. Dass sie »aus dem Nichts« kommt, ist schwer vorstell- werden. Sie hinken ihren Altersgenossen nicht nur in der Sprach- bar. Vielmehr scheint sie in irgendeiner Form auf grund- entwicklung deutlich hinterher, sondern auch bei der Zuschrei- legende Fähigkeiten gegründet (»grounded«) zu sein. Wie bung von Gedanken. Wachsen sie hingegen mit Gebärdensprache diese Fundierung aussieht, gehört zu den noch ungelösten auf, entwickeln sie beide Fähigkeiten ohne Verzögerung. großen Rätseln der Philosophie. Ÿ der autor Gottfried Vosgerau ist Juniorprofessor an der universität Düsseldorf mit den Schwerpunkten Philosopie des geistes und der Kognition, neurophilosophie, Metaphysik des geistes und Sprachphilosophie. er wurde 2007 mit einer mehrfach preisgekrönten arbeit an der universi- tät bochum promoviert. aktuell leitet er unter anderem ein interdisziplinäres forschungspro- jekt zu »grounded cognition«, das von der VolkswagenStiftung gefördert wird. quellen Bermúdez, J. L.: the Paradox of Self-consciousness. the Mit Press, cambridge Ma, london 1998 Clayton, N. S., Dickinson, A.: episodic-like Memory During cache recovery by Scrub Jays. in: nature 395, S. 272 – 274, 1998 Newen, A., Bartels, A.: animal Minds and the Possession of concepts. in: Philosophical Psychology 20, S. 283 – 308, 2007 Rakoczy, H.: from thought to language to thought: towards a Dialectical Picture of the Development of thinking and Speaking. in: grazer Philosophische Studien 81, S. 77 – 103, 2010 weblink fOtOlia / nancy catherine WalKer Diesen artikel sowie weiterführende informationen finden Sie im internet: www.spektrum.de/artikel/1114587 60 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 56. SERIEPHILOSOPHIE(TEIL12)|EMPATHIE Den anderen verstehen Was passiert,wenn wir uns in unsere Mitmenschen hineinfühlen oder -denken? Eine neue Theorie versucht, diese Frage zufrieden stellend zu beantworten. Von Albert Newen und Kai Vogeley E s fällt uns gewöhnlich leicht zu erkennen, was andere schiede hinweg. Auch lassen sie sich – wie es etwa für das Menschen gerade fühlen, was sie sich wünschen klassische Pokerface nötig wäre – kaum oder nur mit sehr oder manchmal sogar was sie planen – auch ohne viel Training unterdrücken. dass sie darüber sprechen. Wir können etwa an ih Gesichtsausdrücke liefern daher besonders zuverlässige rem Gesicht Traurigkeit ablesen oder spüren intuitiv, wenn Anzeichen für die Gemütsverfassung anderer. So kann etwa gerade »dicke Luft« herrscht. Zumeist empfangen wir jedoch ein Kommissar oftmals direkt am Gesicht eines Verdäch nur winzige Indizien und müssen intensiv darüber nachden tigen erkennen, ob sich dieser schuldig fühlt oder nicht. ken, was jemand wirklich denkt oder »im Schilde führt«. Das Dagegen muss er reflektiert überlegen, wie die Indizien am gilt insbesondere dann, wenn ein Mensch seine Gedanken Tatort mit den oft widersprüchlichen Aussagen von Ver vor uns verbergen möchte. Dann sind wir als Detektive ge dächtigen oder Zeugen zusammenpassen könnten. Er will fragt, die aus Mimik, Gestik, Körperhaltung oder Reaktions herausfinden, welches Szenario am plausibelsten ist, etwa: weisen, die oftmals nicht unterdrückt und kontrolliert wer Hätte Frau Meier ein Motiv, den Nachbarn zu vergiften? Passt den können, die Absichten des anderen erschließen müssen. das zu der Vorgeschichte der Beziehung beider Personen? Die Vielfalt des Verstehens anderer lässt sich mit Hilfe von drei Dimensionen ordnen, die zugleich zentrale Aspekte des Werden Emotionen überall gleich erkannt? Problems darstellen. Eine zweite Dimension des Verstehens betrifft die Frage, ob Die erste Dimension betrifft das intuitive Erfassen im Un das Selbstverstehen mit Hilfe eines Selbstkonstrukts für das terschied zum reflektierten Überlegen. Intuitives Erfassen Verstehen anderer relevant ist. Jeder Mensch entwickelt eine liegt vor, wenn ich im Gesicht einer anderen Person zum Bei Vorstellung seiner eigenen Person (ein Selbstkonstrukt mit spiel Freude erkenne. Gerade Emotionen können wir dort be den wichtigsten Merkmalen, Eigenschaften und Persönlich sonders gut ablesen. Der amerikanische Psychologe und An keitszügen), aber auch Modelle von anderen Personen. thropologe Paul Ekman (* 1934) hat nachgewiesen, dass sich In welchem Maß hängt das Verstehen anderer in Form so genannte Basisemotionen wie Freude, Angst, Ärger oder von Personenmodellen von unserem Selbstverständnis, also Traurigkeit durch typische Gesichtsausdrücke äußern. Sie von unserem Selbstkonstrukt, ab? Die dritte Dimension be zeigen sich sogar in der gleichen Weise über alle Kulturunter trifft die Frage, ob Fähigkeiten, wie etwa Emotionen an Ge 62 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 57. MENSCHKULTUR AlExAndEr Jung IllusTrATIon Sich in andere hineinzuversetzen, gilt als entscheidende Grundlage für das Zusammenleben der Menschen. Philosophische Theoriebildung und empirische Forschung entschlüsseln die Mechanismen sozialen Verstehens. sichtsausdrücken zu erkennen, universal für alle Menschen auf einen blick gelten oder ob sie durch kulturelle Einflüsse modifiziert wer den. Dieser Aspekt tritt im vorliegenden Beitrag in den Hin VIEREMPATHIEKONzEPTE tergrund. Wir konzentrieren uns hier vor allem darauf, welche »Stra 1 Nach der Theorie-Theorie verstehen wir andere, indem wir eine entsprechende Theorie verwenden. So wie wir etwa eine Theorie der Eigenschaften von Pflanzen aufbauen, wenn wir diese tegie« wir beim Verstehen anderer Personen verfolgen. Die im Alltag beobachten, entwickeln wir auch eine Theorie darüber, folgenden beiden Ansätze dazu waren in den letzten beiden was andere Personen denken oder fühlen und warum sie etwas tun. Jahrzehnten von Bedeutung: r die TheorieTheorie und 2 Die Simulationstheorie behauptet dagegen: Wollen wir jeman- den verstehen, wenden wir keine Theorie an, sondern versetzen uns einfach nur in seine Lage. r die Simulationstheorie. Der TheorieTheorie zufolge verstehen wir andere, indem wir eine entsprechende Theorie einsetzen, das heißt, wir ver 3 In der Interaktionstheorie geht es um die direkte Wahrnehmung mentaler Zustände (Erkennen in Gesichtern); um das Schluss- folgern unter Einbeziehung von Informationen aus einem pragma- wenden eine systematische Menge von Wissen und Auffas tischen Kontext (Erkennen von Gefühlen der Bedrohung); schließ- sungen über Menschen, die wir zu einer Theorie darüber ver lich um ein narratives Verstehen (Deutung von Alltagsgeschichten). bunden haben, was Menschen typischerweise denken, fühlen, befürchten oder sich wünschen und so weiter. Diese Vorstel 4 Die Personenmodelltheorie der Autoren zeigt auf, dass wir andere mit Hilfe von Personenmodellen verstehen: als zusam- menhängende »Pakete« von Informationen. Dazu gehören ins- lung propagierten hauptsächlich der amerikanische Philo besondere Modelle von sehr vertrauten Menschen. Damit kann soph Peter Carruthers (* 1952) an der University of Maryland diese Theorie den deutlichen Unterschied im Verstehen von sowie der britische Psychologe Simon BaronCohen (* 1958), Freunden und Fremden erfassen. Direktor des AutismusForschungszentrums in Cambridge. WWW.SPEKTRUM.DE 63
- 58. dPA / BErndThIssEn drEAMsTIME / dEnIs rAEv Zwei ähnliche Szenen, doch wir verstehen die Unterschiede Der wichtigste Gegenspieler der TheorieTheorie ist die so sofort. Die sprachliche Kommunikation bleibt immer in die genannte Simulationstheorie. Ihre zentrale Behauptung lau vorsprachliche Interaktion eingebettet. Da Letztere etwa in der tet: Wollen wir jemanden verstehen, versetzen wir uns ein bildlosen Kommunikation per E-Mail fehlt, entstehen bei fach in dessen Lage – wir simulieren sozusagen die Lage des dieser viel schneller Missverständnisse als im direkten Gespräch. Betreffenden in uns selbst. Dabei unterstellen wir, wir hätten vergleichbare Gefühle, Wünsche und Überzeugungen. Auf dieser Basis stellen wir uns vor, was wir selbst in einer sol Gemäß den beiden Forschern ist diese Theorie von Geburt an chen Lage tun würden, um diese Vermutung dann auf die an als ein Modul in unser Gehirn eingebaut. dere Person zu übertragen. Eine Variante der TheorieTheorie vertritt die Psychologin Alison Gopnik (* 1955) von der University of California in Spiegeleffekt auch für Schmerz und Ekel Berkeley. Demnach wird sie ähnlich erworben wie eine wis Der Hauptvertreter der Simulationstheorie, der amerikani senschaftliche Theorie. So wie wir eine Theorie der kausalen sche Philosoph Alvin Goldman (* 1938) von der Rutgers Uni Eigenschaften von Bällen – wie Rollen, Springen, Wirkung auf versity in New Brunswick (New Jersey), unterscheidet zwei Fensterscheiben – aufbauen, wenn wir diese im Alltag beob Stufen des Vorgangs: intuitives und reflektiertes Simulieren. achten, so entwickeln wir auch eine Vorstellung darüber, was Damit trägt er einer der oben eingeführten Dimensionen andere Personen denken oder fühlen und warum sie es tun. Rechnung. Das intuitive Erfassen von Emotionen erläutert er Beiden Varianten ist gemeinsam, dass wir die Theorie fort mit Hilfe der so genannten Spiegelneurone. laufend anwenden, sei sie nun angeboren oder erworben. Diese wurden von den Neurowissenschaftlern Giacomo Das Erklärungsmodell leidet an dem Problem, dass sich Rizzolatti und Vittorio Gallese von der Università degli Studi das unmittelbare, intuitive Erfassen von Gefühlen oder Ab di Parma entdeckt. Bei Verhaltensexperimenten stellten die sichten des anderen oftmals nicht als Theoriebildung auf beiden Forscher fest, dass einzelne Neurone nicht nur dann fassen lässt. Dafür gibt es mehrere Gründe. Es hat nur dann feuern, wenn wir etwa nach einem Glas greifen, sondern jemand eine Theorie, wenn er eine Menge systematisch mit auch dann, wenn wir diese Handlung bei Artgenossen beob einander verbundener Überzeugungen über ein Phänomen achten. Neben motorischen Aktivitäten wurde dieser »Spie besitzt. Zwar können Kinder schon bald nach der Geburt in geleffekt« seitdem auch für Schmerz und Ekel nachgewiesen. einem Gesicht gespiegelte Emotionen erfassen und mit Wenn ich jemanden beobachte, der sich offensichtlich ekelt, spätestens vier Monaten auch differenziert darauf reagie dann feuern auch bei mir bestimmte Neurone, die aktiv sind, ren. Da sie aber noch keine Emotionsbegriffe und schon gar wenn ich mich selbst ekele. Bei mir scheint sich also ebenfalls keine Überzeugungen haben, kann man nicht behaupten, ein Ekelzustand einzustellen, wenngleich dieser unbewusst dass Kleinkinder über eine Theorie verfügen. Zudem ist die bleiben kann. Fähigkeit, Emotionen zu erkennen und angemessen darauf Alvin Goldman behauptet nun, dass wir einen Zustand bei zu reagieren, in diesem frühen Lebensstadium noch nicht anderen genau dann intuitiv richtig erfassen, wenn in uns mit anderen kognitiven Fähigkeiten vernetzt. Auch deshalb unbewusst derselbe Zustand ausgelöst wird. Das reflektierte kann nicht von einer Theorie die Rede sein. Erfassen als zweite Stufe findet dann statt, wenn die äußeren 64 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 59. Umstände von anderenexplizit mitgedacht »bei fremden r die direkte Wahrnehmung mentaler Zu werden. Nun ist unstrittig, dass wir oftmals stände. Beispiel: Erkennen von Emotionen in Menschen verstehen, indem wir uns in sie oder kranken Gesichtern; hineinversetzen, doch hat dies erhebliche können wir oft r das Schlussfolgern unter Einbeziehung be Grenzen. Wir können nämlich nur dann er nur vermuten« reichsspezifischer Informationen aus einem folgreich simulieren, wenn wir wissen, wel pragmatischen Kontext. Beispiel: Erkennen che Gefühle, Wünsche oder Überzeugungen eine Person tat von Gefühlen der Bedrohung, etwa wenn eine Frau schnell sächlich gerade hat. Dieses Wissen fehlt uns aber in vielen und nervös durch eine dunkle, einsame Straße geht und sich Fällen, vor allem dann, wenn wir Menschen aus anderen Kul dabei ständig umschaut; turkreisen begegnen, deren Verhalten wir erst kennen lernen r ein narratives Verstehen. Hier wird das Verhalten einer müssten, um angemessen reagieren zu können. Ähnliche Person (Peter holt eine Pizza) durch einen Interpreten in eine Probleme tauchen auf, wenn wir uns mit psychisch kranken Alltagsgeschichte eingebettet. Der Interpret versteht Peters Menschen verständigen wollen. Nur wenige können sich in Pizzaholen wie folgt: Peter holt eine große Pizza in der Piz die Lage einer Person mit Verfolgungswahn, Halluzinationen zeria ab, weil er einige Freunde zu seinem Geburtstag ein oder anderen gravierenden Störungen hineinversetzen. Hier geladen hat und diese bewirten möchte. Er konnte erst so versagt das Simulieren praktisch immer, und wir sind darauf spät von der Arbeit nach Hause aufbrechen, dass er seinen angewiesen, Vermutungen anzustellen. Plan, selbst Pizza zu backen, ändern musste. Sowohl die TheorieTheorie als auch die Simulationstheo Alle drei Strategien beschreiben bestimmte Aspekte des rie haben also erhebliche Mängel. Daher suchten Forscher Vorgangs, wie wir andere verstehen. Aber sind damit schon in den letzten Jahren nach alternativen Erklärungen und ori alle wichtigen Merkmale erfasst? Hier sind wieder kritische entierten sich an folgenden zentralen Fragen: Welche Strate Anmerkungen am Platz. Es ist doch offenbar ein großer Un gien des Verstehens wenden wir an? Wie organisieren wir die terschied, ob wir versuchen, einen Familienangehörigen zu Informationen über andere, die wir als Hintergrundwissen verstehen, oder ob wir einen Unbekannten bei seinen Aktivi verwenden? Daraus entstanden zwei neuere Ansätze: die In täten beobachten. Das besondere Wissen, das wir bei uns ver teraktionstheorie sowie die Personenmodelltheorie. trauten Personen benutzen, ändert den gesamten Eindruck, Die Interaktionstheorie, wie sie Shaun Gallagher (Uni der in uns ausgelöst wird. Bei meiner Tochter etwa weiß ich, versity of Memphis, Tennessee) und Daniel Hutto (Universi dass sie wie üblich zum Reiten aufbricht, wenn sie am Sams ty of Hertfordshire, England) entwickelten, unterscheiden tagmittag zum Wohnungsschlüssel greift; genauso habe ich beim Verstehen anderer drei Strategien: eine ungefähre Vorstellung, wann sie wieder heimkommen MIT Frdl. gEn. von AndrEW n. MElTzoFF, unIvErsITy oF WAshIngTon Vorsprachliche Interaktion mit Blickkontakt Bei Babys beginnt die vorsprachliche Interaktion schon unmit- telbar nach der Geburt als Imitieren von Gesichtsausdrücken. Das zeigte 1977 der Psychologe Andrew Meltzoff. Ausgehend von solchen vorsprachlichen Signalen nehmen wir eine Vielzahl von Merkmalen einer anderen Person auf: Mimik, Gestik, Köper- haltung, Gesicht, allgemeines Aussehen oder Stimme. Damit bauen wir ein Personenschema auf, das uns ermöglicht, die Per- son rasch wiederzuerkennen und ihre Emotionen einzuschät- zen. Zumeist liefert der Gesichtsausdruck die Schlüsselinforma- tion; der Blickkontakt spielt eine zentrale Rolle. Das Baby fest im Blick: Schon Neugeborene können komplexe In ihren Untersuchungen konnten die Autoren zeigen, dass Gesichtsausdrücke imitieren. virtuelle Charaktere, die sich lediglich darin unterschieden, wie lange sie der Versuchsperson den Blick zuwandten, unterschied- liche Sympathiewerte zugewiesen bekamen. Je länger man (im mung von Menschen und die Zuschreibung von mentalen Zu- Sekundenbereich) von einer Person angeschaut wird, desto ständen lokalisiert sind. Vermutlich werden also beim bloßen sympathischer erscheint sie in der Regel. Diese bessere Bewer- Betrachten einer Person mit zugewandtem Blick bereits neuro- tung ist verknüpft mit verstärkter neuronaler Aktivität im so ge- nale Mechanismen aktiv, die der Verarbeitung sozialer Informa- nannten medialen präfrontalen Kortex, wo auch die Wahrneh- tionen dienen. WWW.SPEKTRUM.DE 65
- 60. Personenmodelltheorie ner Situation wäre. In diesem Punkt stellt die Interaktions theorie zwar einen Fortschritt dar, weil sie neben dem beob achtenden auch interaktives Verstehen berücksichtigt. Aber Informations- Informations- sPEkTruM dEr WIsEnschAFT, nAch: A. nEWEn und k. vogElEy soziale die fundamentale Differenz zwischen dem Verstehen mei aufnahme/ aufnahme/ Wahrnehmung/ ner selbst und anderer bleibt unberücksichtigt. -aktivierung -aktivierung Interpretation Wegen solcher Probleme propagieren wir einen eigenen Personenmodell neuen Weg: die Personenmodelltheorie. Ihre Hauptthese be Selbstkonstrukt von anderen sagt, dass wir andere verstehen, indem wir unbewusste und Vergleich/Aktivierung bewusste Vorstellungen aufbauen, die wir in so genannte Personenmodelle integrieren. Dabei unterscheiden wir im Bewertung plizite und explizite Personenmodelle. Im ersten Fall spre des Verhaltens und eigene Reaktion chen wir von einem Personenschema und im zweiten von Personenbildern. Das klingt abstrakt, aber wir sind davon überzeugt, dass diese Kategorien helfen, die Probleme ande Personenmodelle strukturieren unser Verhalten. Dabei findet rer Theorien zu beheben. Was also meinen wir damit genau? eine wechselseitige Beeinflussung von Selbstkonstrukt und den Das – implizite – Personenschema integriert verschiedene Modellen für andere Personen statt. Informationen wie Bewegungsmuster, Stimme, Gesicht oder Erscheinungsbild und fasst sie in der Form von »wissen, wie« (knowing how) über eine Person zusammen. Es soll uns hel wird. Bei einem fremden Mann könnte ich nur vermuten, fen, diese Eigenschaften wiederzuerkennen, selbst wenn wir was er gerade mit dem Hausschlüssel vorhat. Dieses Phäno oft gar nicht in der Lage sind, sie explizit zu beschreiben. So men ist in den bisherigen Theoriebildungen noch nicht be dauert es manchmal Stunden, bis ein Zeuge mit professionel rücksichtigt worden. ler Hilfe ein gutes Phantombild eines Täters erstellen kann. Auch in einem weiteren Punkt versagt nach unserer Ein Dagegen würde er diese Person sofort wiedererkennen, sogar schätzung die Interaktionstheorie, und zwar dann, wenn wir wenn sie sich in der Zwischenzeit leicht verändert hätte. auf Stereotype zurückgreifen. Wenn wir andere verstehen Im – expliziten – Personenbild sammeln wir Bewertungen wollen, beziehen wir uns sehr häufig unbewusst auf vor von typischen körperlichen und geistigen Eigenschaften gefertigte Rollen, die andere einnehmen können: beispiels oder Fähigkeiten eines Menschen. Ein solches »Bild« haben weise als Studierende, Handwerker oder Bankmanager. All wir zweifelsohne jederzeit präsent, wenn es um uns vertrau gemein kann man sagen, dass die Interaktionstheorie zwar te Personen geht, und können es bei Bedarf beschreiben. wichtige Strategien des Verstehens anderer berücksichtigt. Unabhängig von der Unterscheidung von implizitem Per Andererseits erfasst sie nicht, wie wir Informationen organi sonenschema und explizitem Personenbild entwickeln wir sieren, die wir über andere besitzen, um darauf dann die ge Personenmodelle nicht nur für einzelne Menschen wie Mut nannten drei Strategien anzuwenden. ter, Vater, Ehepartner oder Freunde, sondern auch für Grup pen in unserem Lebensalltag, etwa Studierende, Lehrer oder Das Verstehen meiner selbst und anderer Manager. Diese Beobachtung wird durch die Sozialpsycholo Ein weiterer Kritikpunkt: Alle bisher genannten Theorien gie bestätigt. Demnach tragen wir zahllose gruppenbezoge stellen die Beziehung zwischen Selbst und Fremdverstehen ne Personenbilder im Sinn so genannter Stereotype in uns, nicht plausibel dar. Während die TheorieTheorie davon aus die oft auch Vorurteile enthalten. Das ist keineswegs nur ne geht, dass das Selbstverstehen überhaupt keine Rolle für das gativ. Eine wichtige Funktion von Stereotypen besteht darin, Fremdverstehen spielt, nimmt die Simulationstheorie an, dass wir andere Personen auf Grund von wenigen Informa dass Fremdverstehen lediglich eine Form des Selbstverste tionen sehr schnell einschätzen können. Naturgemäß treten hens ist, weil man sich stets in jemanden hineinversetzt, sich dabei Fehler auf, so dass wir neben dem raschen Taxieren zu vorstellt, was man tun, empfinden würde, wenn man in sei sätzlich ein reflektiertes Bewerten entwickeln. Dieser zweite oF coMPlEx InTEnTIonAl MovEMEnT PATTErns. In: nEuro- A FuncTIonAl sTudy oF PErcEPTIon And InTErPrETATIon Soziale Wahrnehmung im Heider-Simmel-Test (nach Fulvia nAch: cAsTEllI, F. ET Al.: MovEMEnT And MInd, Castelli): Wenn geometrische Objekte sich nicht nur zufällig (wie links), sondern aufeinander IMAgE 12, s. 314 – 325, 2000 bezogen bewegen (rechts), dann werden sie als interagierende Personen wahrgenommen, etwa als Mutter und Kind. 66 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 61. Schritt hilft unsdann, anfängliche Fehleinschätzungen zu Damen an ihren Geburtstagen geht, dann werden wir kaum korrigieren, indem wir die Stereotype weiterentwickeln und unser Selbstbild eines Mannes im mittleren Alter bemü verbessern. hen, sondern eher das Modell unserer Mutter oder Groß Unsere Theorie wird durch die Beobachtung ergänzt, dass mutter. wir Personenmodelle nicht nur von anderen konstruieren, Eine »Simulation« im Sinn des Hineinversetzens in andere sondern auch von uns selbst. Die These ist: Wir legen ein Bild kann nur dann stattfinden, wenn man eine hinreichende von uns selbst an, bilden somit ein implizites Selbstschema Nähe zu der anderen Person postuliert und für sie über kein und – ab einem gewissen Alter – ein explizites Selbstbild mit besseres Modell verfügt, das ihre Besonderheiten berück typischen Eigenschaften und Fähigkeiten (siehe auch den Ar sichtigt. Auch hier ist es zum Beispiel bei einer unbekann tikel »Wer bin ich?« von Albert Newen, SdW 3/2011, S. 62). ten, auf einen Schiedsrichter schimpfenden Person oft viel Die Personenmodelltheorie bringt mehrere Vorteile mit aussagekräftiger, dass ich diese als »empörten Fußballfan« sich. So berücksichtigt sie die Organisation unseres Wissens modelliere und daraus abgeleitet ihr Verhalten einschätze, über Individuen und Gruppen einschließlich Stereotypen. als dass ich mich in sie hineinversetze. Ein solcher Akt der Personenschemata erfassen das intuitive Verstehen und ak Einfühlung stellt einen Sonderfall beim Verstehen anderer zeptieren dabei die vorsprachliche Interaktion als zentralen dar, durchaus eine besonders intensive Form des Verstehens Teil der menschlichen Kommunikation. Dazu zählen auch (empathisches Verstehen). Das Selbstkonstrukt mag somit soziale Interaktionsmuster. Sie erkennen wir unmittelbar, so manchmal als ein Ausgangspunkt dienen, nämlich dann, gar wenn soziale Beziehungen nur mit Hilfe einfacher Strich wenn man keine besseren Modelle vom anderen hat oder zeichnungen dargestellt werden. Das belegte ein berühmtes bereits gute Gründe kennt, warum dieser genauso »ticken« Experiment von Fritz Heider und Marianne Simmel aus dem könnte wie man selbst. Ÿ Jahr 1944: Sie zeigten Probanden eine kurze Animation mit zwei Dreiecken und einem Kreis, welche die Versuchsperso di e autoren nen so interpretierten, als ob die Figuren Absichten und Mo tivationen hätten. Albert Newen (oben) ist seit 2007 Professor für Philosophie an der ruhr-universität Bochum. Als geschäftsführer leitet er zurzeit das Institut für Ist es die Mutter Philosophie II und baut dort gerade das center oder nur eine Schauspielerin? for Mind, Brain and cognitive Evolution auf. Er studierte Philosophie, Psychologie und geschich- Ein weiterer Vorteil besteht im Einbeziehen der menschli te, promovierte 1994 in Bielefeld in Philosophie, chen Kommunikation. Zur vorsprachlichen Verständigung habilitierte 2002 an der universität Bonn und in den ersten Lebensjahren tritt später die sprachliche hinzu. war danach Professor für Philosophie an der uni- versität Tübingen. Kai Vogeley studierte Medizin Letztere bildet ein wichtiges Instrument, um explizite Perso und Philosophie und promovierte in beiden nenbilder aufzubauen. Dass wir tatsächlich mental Personen Fächern. 2004 wurde er als Professor für Psychi- bilder von Individuen entwickeln, belegt – wie so oft – ein pa atrische Früherkennung und Prävention an das thologisches Phänomen, nämlich das so genannte Capgras klinikum der universität zu köln berufen. Er leitet Arbeitsgruppen an der klinik und Poliklinik Syndrom. Ein Betroffener hält etwa seine Mutter nicht mehr für Psychiatrie und Psychotherapie der uniklinik köln und am für seine Mutter, sondern für eine identisch aussehende Institut für neurowissenschaften und Medizin am Forschungszen- Doppelgängerin. Der französische Psychiater Joseph Capgras trum Jülich. (1873 – 1950) hat diese seltene Erkrankung erstmals 1923 be quellen schrieben. Wie erklärt sie sich? Eine Person mit diesem Krankheitsbild erkennt zwar kor Goldman, A. I.: simulating Minds. The Philosophy, Psychology, rekt alle Merkmale der anderen Person, dennoch stellt sich and neuroscience of Mindreading. oxford university Press, oxford bei ihr kein Gefühl der Vertrautheit ein. Sie erkennt einer 2006 Kuzmanovic, B. et al.: duration Matters. dissociating neural seits, dass die Person genauso aussieht wie ihre Mutter, ge correlates of detection and Evaluation of social gaze. In: neuro- nauso spricht wie diese und den Ring der Mutter trägt und so image 46, s. 1154 – 1163, 2009 weiter; aber dennoch hält sie die Frau nicht für ihre Mutter. Newen, A., Schlicht, T.: understanding other Minds: A criticism of goldman’s simulation Theory and an outline of the Person Model Das belegt, dass diese Menschen zwar über ein Personenmo Theory. In: grazer Philosophische studien 79, s. 209 – 242, 2009 dell der Mutter verfügen, es aber nur fehlerhaft anwenden Vogeley, K., Roepstorff, A.: contextualising culture and social können. cognition. In: Trends in cognitive science 13, s. 511 – 516, 2009 Unsere Theorie betrachtet Selbst und Fremdverstehen als zwei eng miteinander verknüpfte Seiten des Verstehens webli n ks von Menschen. Ob ich eine andere Person in Bezug auf www.youtube.com/watch?v=76p64j3H1Ng mein Selbstkonstrukt bewerte oder dafür ein anderes be Link zu den Experimenten von Heider und Simmel reits gespeichertes Personenmodell benutze, hängt davon diesen Artikel sowie weiterführende Informationen finden sie im ab, ob meiner Ansicht nach die Person mir in relevanter Internet: www.spektrum.de/artikel/1114588 Hinsicht ähnelt. Wenn es zum Beispiel um Vorlieben älterer WWW.SPEKTRUM.DE 67
- 62. SEISMoloGIE DAS MEGABEBEN Das gewaltige Beben, das im März die japanische Hauptinsel Honshu erschüt- terte, war deutlich schwerer als alle zuvor in Japan registrierten Erdstöße. Dabei galt die betroffene Region auf Grund seismologischer Untersuchungen als vergleichsweise sicher. Im Nachhinein zeigt sich, welchen Trugschlüssen die Experten aufgesessen sind und welche Warnzeichen sie übersehen haben. Mit den neuen Erkenntnissen lassen sich nun akkuratere Modelle zur Erd- bebenprognose erstellen. Von Pierre Henry U m 14.46 Uhr Ortszeit fand am Freitag, den 11. März 2011, vor der Nordostküste der japani- schen Hauptinsel Honshu ein Erdbeben statt, das durch seine Schwere und die resultierende nukleare Katastrophe weltweit Betroffenheit hervorrief (sie- he auch den Artikel auf S. 76). Mit der Magnitude 9 war es die viertstärkste jemals auf der Erde registrierte seismische Er- schütterung und um 0,8 Einheiten stärker als alle zuvor in Ja- pan gemessenen. Weniger als eine Stunde später suchte ein riesiger Tsunami die Region heim. In einigen Buchten staute er sich auf bis zu 23 Meter Höhe auf. Bei Sendai, der größten Stadt der Region, war die Welle zehn Meter hoch. Das erklärt die schlimmen Verwüstungen in der Region mit schätzungs- weise mehr als 27000 Todesopfern; 320000 Menschen mussten in Notunterkünften untergebracht werden. Doch gemessen an der Gewalt der seismischen Erschütterung hät- te alles noch viel schlimmer kommen können. Mit einem Beben dieser Größenordnung in dem betroffe- nen Gebiet hatten Seismologen nicht gerechnet. Wie konn- ten sie sich derart täuschen? Fatal war vor allem, dass die Ex- perten, die vor Errichtung der Kernkraftwerke in Fukushima in den 1970er Jahren konsultiert wurden, ein solches Ereignis für praktisch ausgeschlossen hielten. Inzwischen haben sich die Gründe für diese Fehleinschätzung herauskristallisiert. Auch die Konsequenzen aus einer neuen seismologischen Bewertung der Region zeichnen sich ab. Die Japaner nennen den Erdstoß vom 11. März das Tohoku- Beben – nach dem japanischen Wort für Nordosten. Der Ja- pangraben, in dem sich das Epizentrum befand, ist für seine 68 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUGUST2011 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·JUNI2011
- 63. ERDEUMWElT in Japan Der Tsunami,der auf das Megabeben am 11. März folgte, riss in der japanischen Stadt Natori zahlreiche Häuser mit sich fort. Den mehr als 72 000 Einwohnern blieb nur eine halbe Stunde Zeit, sich in Sicherheit zu bringen, nachdem das verheerende Erd- beben die Stadt erschüttert hatte. auf einen blick FATAlEFEHlEINSCHÄTZUNG 1 Am Japangraben nordwestlich der Insel Honshu stoßen zwei starre Blöcke der Erdkruste aneinander. Dabei schiebt sich die Pazifische unter die Eurasische Platte. Die Folge sind häufige Erdbeben. 2 Auf Grund der seismischen Geschichte der Region und wissen schaftlicher Untersuchungen glaubten Experten allerdings, dass die Platten meist relativ glatt übereinandergleiten. Ruckartige Bewegungen schienen nur in längeren Abständen aufzutreten und keine übermäßig heftigen Erschütterungen auszulösen. 3 Es gab jedoch auch Hinweise, die diese Vorstellungen in Frage stellten. Dazu gehörten insbesondere Krustenverformungen, die den Aufbau starker Spannungen am Japangraben nahelegten. 4 Das Megabeben am 11. März 2011 hat gezeigt, dass die bisheri CoRBIs / XINHUa PREss / KyoDo gen Vorstellungen falsch waren. Das Modell der Vorgänge am Japangraben muss revidiert werden, was auch die Risikoab- schätzung für die Zukunft verändert. WWW.SPEKTRUM.DE 69
- 64. Blockade am Plattenrand Der japanische Archipel befindet sich an einer so genannten Subduktionszone, an der mehrere starre Blöcke der Erd kruste aufeinanderstoßen. Dabei tauchen die Pazifische Hokkaido HélèNE FoURNIé Eurasische Platte und die Philippinische Platte unter die Eurasische Platte ab, wodurch über die Jahrmillionen tiefe Rinnen östlich der Inselkette entstanden sind. Schn Im Süden erstreckt sich der NankaiGraben it t flä che bis in die Gegend von Tokio. Er ist durch Pla den SagamiGraben mit dem japani Honshu t te nb e we schen Tripelpunkt verbunden, wo gu en ng b alle drei Platten zusammentref gra Sa an fen. Von dort geht Richtung Sü gr gam Jap ben ab i den der Bonin und Richtung aigra en Tripelpunkt Nank Norden der Japangraben ab. Pazifische Platte Philippinische Platte B on Verwerfungen (rotbraun) zie ingr hen sich an all diesen Gräben abe entlang. An ihnen baut sich n durch die Subduktionsbewe gung Spannung auf, bei de ren Entladung Erdbeben ent stehen. Hokkaido Hokkaido Rückkehr zur ben rab en Verformung gra ursprünglichen ang Japan Form Jap Honshu Honshu Blockade Rutschung Wie die unten dargestellten Schnitte durch Honshu und den Ja- schen Platte gestaucht und nach unten gezogen wurde. Als die pangraben (Schnittfläche im Bild oben) zeigen, blockierte vor Blockade beim Erdbeben aufbrach, ließ die Spannung plötzlich dem Erdbeben vom 11. März die Pazifische die Eurasische Platte, nach, und die verbogene Kruste schnellte zurück in ihre Aus auf der die japanische Hauptinsel sitzt (links). Diese schrumpfte gangsposition. Dadurch nahm Honshu wieder seine ursprüngli pro Jahr um einige Zentimeter, weil sie sich in dem Maß aufwölb che Ausdehnung und Form an (rechts). Das abrupte Zurückfedern te, wie sich Spannung aufbaute, während der Rand der Eurasi des niedergedrückten Plattenrands löste den Tsunami aus. 70 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUGUST2011
- 65. permanente seismische Aktivitätbekannt. Er befindet sich zu berechnen. Diese gibt an, welcher Prozentsatz der platten- nördlich des »japanischen Tripelpunkts«, an dem die Eurasi- tektonischen Bewegung durch abrupten Versatz der Krus- sche, die Philippinische und die Pazifische Platte zusammen- tenblöcke bei großen Erdbeben erfolgt. Beim Beben vom treffen (siehe Kasten links). Hier taucht seit Jahrmillionen die 11. März zum Beispiel dürfte die Verschiebung entlang der Pazifische unter die Eurasische Platte ab. Diese Subduktion Verwerfungsfläche auf der Höhe von Sendai mehr als 20 Me- verursacht zahlreiche seismische Erschütterungen, die teils ter betragen haben. An der Nordostküste von Honshu beweg- mit gewaltigen Tsunamis einhergehen. So schwappte im Jahr te sich der Boden immerhin noch um einige Meter. 1896 eine Woge, die mit mehr als 25 Meter Höhe noch gewal- Als Erster berechnete Hiroo Kanamori vom California Ins- tiger war als die vom März, über die nördlich von Sendai ge- titute of Technology in Pasadena 1977 die seismische Kopp- legene Hälfte von Honshu. lung der Pazifischen Platte vor Honshu. Er kam auf etwa Das Beben von 1896 hatte die Seismologen lange verunsi- 25 Prozent – ein Wert, den nachfolgende Untersuchungen chert. Die Höhe des Tsunamis passte nicht zur vergleichswei- bestätigten. Obwohl sich längs des Japangrabens starke Erd- se geringen Intensität der wahrgenommenen Erschütterun- beben bis zur Magnitude 8,2 ereigneten, erreichte der Versatz gen, weshalb die damals noch nicht messbare tatsächliche durch seismische Aktivität also nur ein Viertel des Betrags, Bebenstärke unklar blieb. Auslöser war wie am 11. März der der auf Grund der Bewegung der Pazifischen Platte zu erwar- Bruch eines Abschnitts der Verwerfung in der Nähe des Sub- ten war. Zum Tripelpunkt im Süden hin nahm die Kopp- duktionsgrabens, der 120 Kilometer vor der Nordostküste lungsstärke sogar noch weiter ab. von Honshu liegt. Dort schiebt sich die Pazifische Platte mit einer Geschwindigkeit von etwa neun Zentimetern pro Jahr Scheinbar sicherer Standort für Kernkraftwerke unter Japan. In der Subduktionszone des Japangrabens fanden somit Alle weltweit registrierten Erdstöße von einer Stärke wie nicht genügend Erdbeben statt, um die Fortbewegung der beim Tohoku-Ereignis wurden ebenfalls durch eine ruckarti- Platte vollständig zu erklären. Die Seismologen sprechen in ge Verschiebung entlang von Verwerfungen in Subduktions- einem solchen Fall von einem seismischen Slip-Defizit. Ein zonen verursacht. Deshalb stellt sich die Frage, wie die Seis- Detail ließ diese Feststellung besonders beunruhigend er- mologen zu der Einschätzung gelangten, vor der japanischen scheinen: Das Epizentrum des stärksten jemals in dem Ge- Nordostküste könne es niemals zu einem derart gewaltigen biet registrierten Erdbebens, des Sanriku-Bebens von 1933 Erdbeben kommen. Die Antwort lautet: Sie ließen sich von mit einer Magnitude von 8,4, lag nicht über der Verwerfungs- der scheinbar regelmäßigen seismischen Aktivität an dieser fläche, sondern jenseits des Grabens auf der Pazifischen Plat- Subduktionszone täuschen. Weltweit sind viele Verwerfun- te. Dieses Beben kann also keine Spannungen an der Subduk- gen oder Verwerfungssegmente bekannt, an denen nur tionszone abgebaut haben. schwache Erdbeben auftreten. Die beiden Kontaktflächen Es gibt zwei mögliche Erklärungen für das seismische Slip- gleiten dort zwar auch nicht völlig ungestört und glatt anei- Defizit am Japangraben. Entweder fand ein Großteil der tek- nander vorbei, aber doch ohne größere Rucke. Dies trifft etwa tonischen Plattenbewegung in der Vergangenheit in Form auf den zwischen Hollister und Parkfield gelegenen mittle- eines »aseismischen Gleitens« statt, also ohne dass es zu Erd- ren Abschnitt der San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien zu, beben kam, oder in Japan waren in historischer Zeit tatsäch- an dem die Platten allerdings seitlich aneinander entlang- lich starke Beben aufgetreten, von denen aber keine Berichte schrammen. Es gilt aber auch für manche Subduktionszo- oder schriftlichen Zeugnisse existieren. Letzteres klingt un- nen – so den 11000 Meter tiefen Marianengraben. wahrscheinlich, weil die Geschichte der seismischen Akti- Üblicherweise kommt es an solchen Plattenrändern je- vität in Japan zu den am besten dokumentierten weltweit doch zu starken Erdstößen. In den Zeiten dazwischen be- gehört. Vier größere Erdbeben sind für den Nordteil der schränkt sich die Aktivität auf schwache, kleinräumige Tohoku-Region bekannt. Sie fanden 869, 1611, 1677 und 1896 Schwarmbeben. Man sagt, die Verwerfungen seien blockiert. statt. Im Südteil hingegen scheint sich seit mindestens 800 Die Verschiebung infolge der Subduktion vollzieht sich hier Jahren kein stärkerer Erdstoß mehr ereignet zu haben. Das also im Wesentlichen ruckartig bei den seltenen Megabeben, spricht für ein zumindest teilweises aseismisches Gleiten. gefolgt von zahlreichen Nachbeben. Wenn solche heftigen Deshalb galt die Errichtung von sechs Kernreaktoren in Erschütterungen mit einer gewissen Regelmäßigkeit auftre- Fukushima-Daiichi in den 1970er Jahren und von vier weite- ten, bezeichnet man sie als charakteristische Beben. Dies ren in Fukushima-Daini zu Beginn der 1980er Jahre wahr- trifft beispielsweise auf die Subduktionsstörung von Nankai scheinlich als gute Idee, da der Standort sicherer schien als zu, wo ein »Big One« in nächster Zeit erwartet wird. viele andere auf dem japanischen Archipel. Andere Verwerfungen zeigen ein wesentlich komplexeres Nicht in dieses Bild passt allerdings das Ausmaß der geo- Verhalten, was die Risikoabschätzung erheblich erschwert. metrischen Verformung der Insel Honshu. Eine Analyse der Zu ihnen gehört der Japangraben. Ende der 1960er Jahre ließ klassischen, also nicht von Satelliten gelieferten geodätischen sich die Subduktion der Pazifischen Platte mit plattentekto- Daten zeigt, dass sich die Abmessungen Nordjapans seit Be- nischen Modellen schon gut beschreiben. Die Seismologen ginn der Meiji-Zeit (1868 – 1912) erheblich verändert haben – machten sich in der Folge daran, die »seismische Kopplung« ein klares Zeichen für den Aufbau von Spannung durch die WWW.SPEKTRUM.DE 71
- 66. Subduktion (siehe Kastenauf S. 70). Wäre die Bewegung der sich bis zur Jahrtausendwende eine gewaltige Menge elasti- Pazifischen Platte zu drei Vierteln als aseismisches Gleiten scher Energie an der Japangraben-Störung aufgestaut hatte, abgelaufen, das nichts zum Spannungsaufbau beiträgt, hätte die sich irgendwann in einem Megabeben entladen sollte. die Verformung sehr viel geringer ausfallen müssen. In die Irre geführt wurden sie jedoch durch die Begleit- Vor allem aus diesem Grund beschloss Japan 1994, ein umstände eines Erdbebens der Stärke 7,6, das 1994 den Nor- dichtes Netz von GPS-Stationen zu errichten, deren Position den der Insel Honshu heimsuchte. Das japanische GPS-Netz ständig durch Satellitensignale bestimmt wird. Innerhalb registrierte im Anschluss daran eine starke postseismische von drei Jahren gingen 1000 von ihnen in Betrieb. Ihre Daten Verschiebung, die erschütterungsfreie Gleitbewegungen ent- bestätigten eine erhebliche Deformation als Folge steigender lang der Japangraben-Störung nahelegte. Logischerweise Spannung an der Subduktionsverwerfung. fragten sich die Seismologen, ob diese Rutschungen das seis- Was bedeutet das? Entscheidend für die Bewertung sind mische Slip-Defizit ausgleichen könnten. Sie waren rasch ge- zwei Grundprinzipien, die James Savage von der Purdue Uni- neigt, dies zu glauben, als 1997 Kosuke Heki von der Universi- versity in West Lafayette (Indiana) schon 1983 formulierte. tät Hokkaido zeigte, dass die postseismische Verschiebung Sie besagen, dass erstens sich die Erdkruste nur in der Nähe auf Honshu einem Erdbeben der Stärke 7,7 entsprach. einer Subduktionsverwerfung langfristig in größerem Um- Die folgende Erklärung für das seismische Slip-Defizit der fang verformt und dass zweitens diese Deformation elas- Japangraben-Störung drängte sich also auf. Nach jedem Erd- tisch und reversibel ist. beben gleitet die abtauchende Platte in der Umgebung des Wenn die abtauchende Pazifische Platte also, wie die GPS- zerbrochenen Bereichs noch ein gutes Stück weiter; so ver- Daten zeigen, den japanischen Archipel in weit gehend erd- teilt sich die restliche, in der Deformation gespeicherte elas- bebenfreien Zeiträumen um etwa zwei Zentimeter pro Jahr tische Energie, bevor die Verwerfung nach einigen Jahren staucht, sollte er die dabei verlorene Landfläche irgendwann wieder gänzlich blockiert ist. Der 11. März aber hat auf grausa- ruckweise mittels starker Erdbeben zurückgewinnen. Dabei me Weise gezeigt: Diese Erklärung ist falsch oder, falls solche legt die Deformation, die in interseismischen Perioden statt- spannungslösenden postseismischen Verschiebungen tat- findet, jenen Anteil der Subduktionsbewegung fest, der nicht sächlich auftreten sollten, höchstens die halbe Wahrheit. frei ablaufen kann. Dieser Anteil entspricht der »mechani- Eine seismische Kopplung von annähernd 100 Prozent schen Kopplung der Subduktion«. Im Fall aseismischen Glei- entlang der Subduktionsfläche des Japangrabens gilt inzwi- tens ist er gleich null. Die mechanische Kopplung beträgt da- schen als sicher. Eine Bestätigung dafür lieferten kürzlich gegen 100 Prozent, wenn die abtauchende Platte durch den auch Simulationen mit dem Earth Simulator der Japan Agen- Kontakt mit anderer Kruste vollständig blockiert ist. Dann cy for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) auf wird diese Kruste zwangsläufig im gleichen Ausmaß ge- der Basis von GPS-Daten – allerdings mit einer Ausnahme: In staucht, wie die Plattenbewegung voranschreitet. Das führt der Nähe des japanischen Tripelpunkts scheint die Pazifische eines Tages unausweichlich zum Bruch – mit einem Mega- Platte kontinuierlich unter die Eurasische zu gleiten. beben als Folge. Leider erlaubt diese Art von Berechnungen keine Vorher- sage über das Ausmaß eines Bruchs. Allenfalls lassen sich Elastisch zurückfedernder Plattenrand Vermutungen darüber anstellen. Vor dem Megabeben vom Ein französisch-japanisches Team unter Leitung von Xavier 11. März rechnete jedoch niemand damit, dass die Verwer- Le Pichon vom Collège de France in Paris veröffentlichte zwi- fung fast über die gesamte Länge vom Tripelpunkt im Süden schen 1998 und 2001 Ergebnisse von Untersuchungen, wo- bis zum Erdbebengebiet von 1896 im Norden aufbrechen nach die mechanische Kopplung entlang der Subduktionsflä- könnte. che des Japangrabens in der Tat 100 Prozent beträgt. Das gilt Die Seismologen hielten das für höchst unwahrschein- bis in eine Tiefe von etwa 50 Kilometern, also fast bis dorthin, lich, weil sie von einer Segmentierung der Japangraben-Stö- wo die Verwerfungsfläche in die Vertikale übergeht. Damit rung ausgingen. Tatsächlich zerfallen Verwerfungen oft in aber war das Modell von Kanamori mit einer seismischen Abschnitte, die unabhängig voneinander aufbrechen. Das Kopplung von nur 25 Prozent für den Japangraben widerlegt. gilt insbesondere bei vertikalen Verwerfungsflächen, an de- Tatsächlich verhält sich der japanische Inselbogen wie nen die Platten seitlich aneinander entlanggleiten wie bei ein riesiger Gummiblock, der sich unter dem Druck der Pazi- der San-Andreas-Störung. Es trifft aber auch für bestimmte fischen Platte zusammenzieht und durch ein starkes Erd- Subduktionsverwerfungen zu – etwa die Nankai-Störung, wo beben seine einstige Form vollständig wiedererlangt. Unter sich die Subduktion entlang zweier Hauptsegmente voll- diesen Umständen muss die seismische Kopplung im Japan- zieht, die normalerweise im Abstand von einigen Stunden graben – also derjenige Anteil der Bewegung der Pazifischen bis Jahren brechen. Allerdings gab es auch schon simultane Platte, der in Form plötzlicher Verschiebungen bei Erdbeben Brüche. stattfindet – der mechanischen Kopplung entsprechen, näm- Nach heutigem Wissensstand lässt sich die Japangraben- lich dem Anteil der Plattenbewegung, der zu einer Verfor- Störung besser beschreiben, wenn man von einer variableren mung während der interseismischen Periode führt. Daraus Vorstellung der so genannten Asperität ausgeht. Der Begriff hätten die Seismologen eigentlich schließen müssen, dass bezeichnet den Bereich der Verwerfungsfläche, an dem bei 72 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUGUST2011
- 67. UsGs / GooGlE DasMegabeben vom 11. März 2011 wurde durch plötzliche Ver- rem darauf schließen, dass der Bereich, in dem der Versatz schiebungen entlang einer mehr als 500 Kilometer langen des Meeresbodens den Tsunami ausgelöst hat, eine relativ Verwerfungsfläche ausgelöst, deren Projektion an die Oberfläche geringe Ausdehnung hat und – wie auch bei dem Erdbeben in der Grafik durch einen gelben Rahmen markiert ist. Der Bereich von 1896 – in der Nähe des Grabens lag. größter Verschiebung – um mehr als zehn Meter – war dagegen Was lässt sich aus diesen Erkenntnissen über die Häufig- nur 200 Kilometer lang; er ist auf der Karte in Rot und Grün keit von Megabeben an der Japangraben-Störung ableiten? angedeutet. Ein großer, roter Punkt zeigt das Epizentrum des Bei einer Subduktionsgeschwindigkeit von neun Zentime- Erdbebens an; die gelben Punkte stehen für Nachbeben. tern pro Jahr und unter der Voraussetzung, dass nur ein Teil der Bewegung in Form von Jahrhundertbeben stattfindet, heftigen Erdbeben die stärkste Scherung auftritt (Bild oben). entspricht ein Versatz von 20 bis 30 Metern bei einem sol- Diese Zone maximalen Versatzes gilt auch als der Bereich chen Ereignis etwa 300 bis 400 Jahren, in denen sich Span- größter Blockade in der Zeit zwischen zwei seismischen Ereig- nung an der Verwerfung aufbaut. Entsprechend lang ist die nissen. Die Stärke eines Erdbebens hängt also sowohl von der interseismische Periode. Ausdehnung der Verwerfungsfläche als auch vom Umfang der Asperität und von der Amplitude der Bewegung ab. Risiko von Jahrtausendbeben Zum Beispiel wurde das Erdbeben der Stärke 9,1 vom Aus den Ergebnissen der seismografischen Überwachung 26. Dezember 2004 im Indischen Ozean durch einen Riss aus- seit 1896 schlossen die Seismologen auf Verwerfungsseg- gelöst, der sich innerhalb von neun Minuten über 1200 Kilo- mente von 100 bis 200 Kilometer Länge. Die Bruchzone des meter hinweg fortpflanzte. Der Bruch beim Tohoku-Beben Megabebens vom 11. März ist aber viel länger, und ihre Aspe- war von kürzerer Dauer und räumlich begrenzter. Anschei- rität erstreckt sich über diejenigen mehrerer vorangegange- nend entlud sich ein Großteil der Spannungen innerhalb von ner Erdstöße hinweg, ohne diese vollständig zu überdecken. drei Minuten an einem nur 500 Kilometer langen Riss. Zudem scheint der zentrale Teil des Risses, wo die maximale Im Einzelnen zeigen Berechnungen, die verschiedene For- Bewegung stattfand, schon wieder blockiert zu sein, während schergruppen anhand der seismischen und geodätischen eine postseismische Bewegung, begleitet von zahlreichen (GPS-)Daten anstellten, dass es in einer Entfernung von 200 Nachbeben, im Süden begonnen hat. Sie erinnert an das, was Kilometern auf beiden Seiten des Epizentrums zu Verschie- 1994 weiter nördlich geschah. bungen von 20 bis 40 Metern kam. Auf der Website Tohoku- All diese Verschiebungen haben nur um die Bruchzone oki (http://supersites.earthobservations.org/sendai.php), die herum die Spannungsverteilung in der Kruste geändert. Da- dem Erdbeben vom 11. März gewidmet ist, wurden verschie- durch steigt aber das Bebenrisiko in der Pazifischen Platte dene dieser Ergebnisse veröffentlicht. Sie lassen unter ande- vor dem Japangraben – genau wie das Erdbeben von 1896 WWW.SPEKTRUM.DE 73
- 68. von Wissenschaftlern desNational Institute of Advanced sHUTTERsToCK / DavoR PUKlJaK / PIERRE HENRy 1963 Industrial Science and Technology (AIST), der größten For- M8,1 schungseinrichtung in Japan, aus dem Jahr 2003, dass sich 1969 die Sandablagerungen von prähistorischen Tsunamis an 1973 M8 ? manchen Küsten Japans teils einige Kilometer weit ins Lan- en M7,8 desinnere hinein erstrecken. Vergleichbare Sedimente blie- ab gr 1952 2003 M8,1-8,3 n pa ben nach den Tsunamis von 1952 und 1973 nicht zurück, ob- wohl die zugehörigen Erdbeben beachtliche Stärken von 8,1 Ja 1968 EURASISCHE M8,2 und 7,8 erreichten. Die AIST-Forscher schlossen daraus, dass sich zusätzlich zu den Jahrhundertbeben in jedem einzelnen PLAT TE 1896 M8,2 ? 1933 Segment etwa alle 1000 Jahre noch gewaltigere Erdbeben er- M8,4 eignen, bei denen zwei oder mehr Abschnitte der Verwer- fung gleichzeitig brechen. 2011 M9 Die Subduktion am Kaskadengebirge in Nordamerika, das 1938 869 M9 ? sich von Vancouver Island bis in den Norden Kaliforniens er- M7,8 1611 M ? streckt, liefert einen bemerkenswerten Kandidaten für solch ein drohendes Jahrtausendbeben. Obwohl wenig über die 1854 M8,4 PAZIFISCHE Erdbebengeschichte dieser Region bekannt ist, konnten Seis- mologen zeigen, dass dort mit Erdbeben einer Stärke über 9 1944 TRIPEL PLAT TE ben M8,1 PUNKT und daraus resultierenden bis zu 30 Meter hohen Tsunamis n e zu rechnen ist. Die Zeitabstände zwischen solchen Megabe- ngra 1946 b M8,3 ra ben bleiben allerdings vage. Ein Tsunami, der am 26. Januar ig 1700 in Japan eintraf, ohne dass dort zuvor die Erde gezittert PHILIPPINISCHE i nk a Bon hätte, lässt auf einen gewaltigen Erdstoß an der amerikani- a PLAT TE schen Westküste schließen. Die Wahrscheinlichkeit eines N weiteren solchen Ereignisses in den kommenden 50 Jahren 100 Kilometer schätzen die Forscher auf zehn Prozent. Im Japangraben vor Honshu könnten die seismischen Er- Die japanische Erdbebengeschichte ist gut dokumentiert. Auf dieser tektonischen Karte von Japan sind die durch die jüngsten schütterungen von 1611 und 869 ähnlichen Jahrtausendbe- Subduktionserdbeben betroffenen Gebiete eingetragen, jeweils ben entsprechen. Von der Universität Sendai durchgeführte mit Jahreszahl und Stärke (Magnitude M). Wie man sieht, gingen Untersuchungen ergaben 2001, dass das Erdbeben von 869 zwei Jahrhundertbeben, eines auf der Eurasischen (1896), das einen großen Tsunami in der Bucht von Sendai hervorgeru- andere auf der Pazifischen Platte (1933), dem Megabeben vom fen hat, dessen Sandablagerungen bis zu vier Kilometer land- 11. März voraus. Zwei Jahrtausendbeben (869 und 1611) scheinen einwärts reichen. Wie die Forscher herausfanden, kam es zu von ähnlicher Stärke wie dieses gewesen zu sein. Der maximale solchen außergewöhnlichen Ereignissen in prähistorischer Versatz der Eurasischen Platte während des Megabebens ist Zeit ungefähr alle 1000 Jahre. Daraus schlossen sie, das durch einen roten, die Verschiebung weiter südlich danach durch nächste könne sich in naher Zukunft ereignen. Sie hatten einen grünen Pfeil angezeigt. Recht: Es fand am 11. März 2011 statt. Ÿ dasjenige von 1933 begünstigt hat – und in den angrenzen- den Bereichen der Subduktionsfläche, wo außerdem mit wei- der autor teren Nachbeben zu rechnen ist. Die Auswirkungen reichen Pierre Henry ist Geophysiker und Forschungs- im Süden bis zum Sagami-Graben, wo sich 1923 das starke direktor beim französischen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRs). Er arbeitet Beben von Kanto ereignete, und zum dicht benachbarten beim Umwelt- und Geoforschungszentrum Suruga-Graben, an dem 1854 das letzte Erdbeben stattfand. (CEREGE) in aix-en-Provence. Der Tripelpunkt macht die Verhältnisse dort jedoch kom- plizierter. Berechnungen zufolge kann sich jedes Verwer- fungssegment unterschiedlich entwickeln. Solange der je- quellen weilige Versatz nicht genau kartiert ist, lässt sich daher das Risiko in dieser Region noch nicht abschätzen. Mazzotti, S. et al.: Full Interseismic locking of the Nankai and Jedenfalls beweist das Erdbeben vom 11. März, dass gewal- Japan-West Kurile subduction Zones. In: Journal of Geophysical Research – solid Earth 105, s. 13159 – 13177, 2000 tige Brüche an der Japangraben-Störung möglich sind – was Minoura, K. et al.: The Jogan Tsunami Deposit and Recurrence einige japanische Forscher für den Kurilengraben, die Verlän- Interval of large-scale Tsunami on the Pacific Coast of Northeast gerung des Japangrabens nach Norden, zuvor schon in Be- Japan. In: Journal of Natural Disaster science 23, s. 83 – 88, 2001 tracht gezogen hatten. Außerdem ergab eine Untersuchung 74 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUGUST2011
- 69. Fukushima auchin Deutschland? Der Reaktorunfall von Fukushima war nicht nur eine Katastrophe für die Japaner, er hatte auch ein- schneidende Auswirkungen auf die deutsche Politik. Unter der Ein- wirkung der Hiobsbotschaften aus Japan beschloss der Bundestag am 30. Juni den sukzessiven Aus- stieg aus der Atomenergie bis 2022. Kein anderes Land der Welt beabsich- tigt derartige Maßnahmen. Doch auf welcher wissenschaftlichen Basis be- ruht der Beschluss? Vier Experten für Reaktorsicherheit analysieren, wie es zur Katastrophe kam und inwiefern sich die Ereignisse von Fukushima in Deutschland wiederholen könnten. Von Bernhard Kuczera, Ludger Mohrbach, Walter Tromm und Joachim Knebel A m Freitag, den 11. März 2011, ereignete sich in Ja- von Menschenleben und richtete schwerste Verwüstungen pan eine Naturkatastrophe von bisher dort unbe- in Ortschaften, Infrastruktur und Umwelt an. Mindestens kanntem Ausmaß. Um 14.46 Uhr Ortszeit, 6.46 23 000 Menschen starben oder werden vermisst. Uhr unserer Zeit, erschütterte ein gewaltiges See- Im unmittelbaren Einwirkungsbereich dieser Naturkatas- beben, dessen Epizentrum im Pazifischen Ozean etwa 150 trophe liegen mit Onagawa, Fukushima-Daiichi, Fukushima- Kilometer östlich der Stadt Sendai lag, die nahe gelegene Daini und Tokai die Standorte von vier Kernkraftwerken. Am Küstenregion (siehe dazu auch den Artikel ab S. 68). Die Kom- schwersten betroffen war der Standort Fukushima-Daiichi. bination von Beben und Flutwelle forderte eine große Anzahl Die Anlage liegt etwa 60 Kilometer südlich von Sendai direkt 76 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 70. ERDEUMWElT DPA / AiR PHoto SERVicE / Ho Nach dem Unglück: Blick auf die Blöcke 4 bis 1 (von links nach rechts) der Reaktoranlage in Fukushima- Daiichi, im Vordergrund die Maschinenhäuser, dahinter die bereits explodierten Reaktorgebäude. an der pazifischen Küste, 250 Kilometer nördlich der japa- Zum Zeitpunkt des Erdbebens waren die Blöcke 1 bis 3 in nischen Hauptstadt Tokio. Dort betrieb die Tokyo Electric Po- Betrieb, die Blöcke 4 bis 6 dagegen zu Revisionsarbeiten ab- wer Company (Tepco) sechs Siedewasserreaktorblöcke der geschaltet. Die Brennelemente aus Block 4 waren in das zuge- General-Electric-Bauweise mit einer elektrischen Nettoleis- hörige Abklingbecken im Reaktorgebäude ausgelagert. Als tung von insgesamt 4547 Megawatt elektrisch (MWe). Zusam- die Seismometer auf den Kraftwerksgeländen die heftigen men mit dem Nachbarstandort Fukushima-Daini mit noch- Bodenerschütterungen registrierten, wurden in allen insge- mals viermal 1100 MWe bildete der Komplex das größte samt elf am Netz befindlichen Blöcken dieser vier Standorte Kernkraftwerk der Welt. automatisch die Schnellabschaltungen ausgelöst. Kurz da- WWW.SPEKTRUM.DE 77
- 71. nach brach, zumTeil auch durch umgestürzte Strommasten, mern« an und förderten es in die Reaktoren. Nach einigen die allgemeine Stromversorgung in vielen Regionen zusam- Stunden versagten sie ihren Dienst, da die Batterien zum An- men, darunter auch am Standort Fukushima-Daiichi. In die- steuern der Hilfseinrichtungen der Antriebsturbinen er- sem Moment übernahmen planmäßig die Notstromdie- schöpft waren beziehungsweise das Temperatur- und Druck- selgeneratoren die Stromversorgung der Kühlsysteme zur gefälle für diese Antriebsturbinen nicht mehr ausreichte. Die Nachwärmeabfuhr aus den Reaktoren und den Abklingbe- Füllstände in den Reaktoren begannen zu sinken, die Brenn- cken aller vom Netz getrennten Blöcke. Damit waren alle be- elemente wurden freigelegt. troffenen Reaktoren nach dem Erdbeben zunächst in einen stabilen Zustand überführt worden. In Onagawa, nur 90 Kilo- Der Ablauf des Desasters war grundsätzlich meter vom Epizentrum entfernt, brach in einem der drei bekannt und im Detail beschrieben Turbinenräume ein Feuer aus, das allerdings nach einigen Der weitere Ablauf des Unfalls ließ sich nicht direkt beobach- Stunden gelöscht werden konnte. ten, vor allem da mangels Strom auch fast alle Messgeräte Innerhalb einer Stunde nach dem Erdbeben erreichte die ausgefallen waren. Der Verlauf ist jedoch aus Risikostudien Tsunamiwelle zunächst Onagawa. Dieser Standort liegt aber grundsätzlich bekannt und für den Zeitraum bis Mitte April ausreichend hoch über dem Meeresspiegel. Danach traf die von einigen von uns (Kuczera, Mohrbach) detailliert beschrie- Flutwelle Fukushima-Daiichi mit einer Höhe von hier noch ben: Nach diesen Szenarien heizt sich zuerst der Reaktorkern über 14 Metern. Die dortigen Anlagen sind mit einem ledig- auf, danach platzen oberhalb von rund 900 Grad Celsius die lich 5,7 Meter hohen Betonwall gegen Taifune geschützt. Das Hüllrohre der Brennstäbe. Dabei gelangen gasförmige – vor Kraftwerksgelände selbst befindet sich auf zehn Meter Höhe allem Xenon und Krypton – sowie leichtflüchtige Anteile der über dem Meeresspiegel und wurde innerhalb von drei Mi- Spaltprodukte wie Jod, Strontium oder Zäsium ins Kühlwas- nuten um bis zu vier Meter überflutet, was die Kraftwerks- ser. Oberhalb von rund 1300 Grad Celsius reagiert das Hüll- einrichtungen schwer beschädigte. Die Kühlpumpen wur- rohrmaterial Zirkalloy der Brennstäbe – eine Zirkoniumlegie- den weggerissen oder zerstört und die Gebäudetüren der rung – in einer exothermen, also Wärme freisetzenden Reak- Maschinenhäuser eingedrückt. tion mit dem Wasserdampf zu Zirkonoxid. Dabei entsteht In Fukushima-Daiichi sind genau dort, also in den Kellern Wasserstoff. Ab 2850 Grad Celsius beginnt das Urandioxid der der Maschinenhäuser, die Notstromdiesel eingebaut. 12 der Brennstoffpellets zu schmelzen. Im Bereich von Stunden ver- insgesamt 13 Dieselmotoren fielen durch Kurzschluss aus. lagerten sich die Schmelzen zunächst auf die Böden der Reak- Dadurch stand für die Blöcke 1 bis 4 auch die Stromversor- tordruckbehälter, wo sie wahrscheinlich zumindest teilweise gung der Notkühlsysteme nicht mehr zur Verfügung – zur die dortigen Steuerstabstutzen-Schweißnähte aufgeschmol- Abfuhr der Nachwärme insbesondere aus den Reaktoren 1 bis zen haben und damit einen Weg in die Reaktorgruben fan- 3 sowie aus den Lagerbecken 1 bis 4. Eine Stunde nach Ab- den. Über die Gasräume der Kondensationskammern gelang- schaltung erreichte die Nachzerfallswärme aus den Brenn- ten die gasförmigen und kleine Teile der leichtflüchtigen stäben zwar nur wenige Prozent der betrieblichen Leistung, Spaltprodukte in die Sicherheitsbehälter. diese entsprach jedoch noch immer zweistelligen Megawatt- Die im Normalbetrieb mit reaktionsträgem Stickstoff ge- beträgen. füllten Behälter waren zu diesem Zeitpunkt mit einem Ge- In der Folge liefen zunächst die Notkühlpumpen, die misch aus Stickstoff, Dampf und Wasserstoff gefüllt. Um durch Nachwärmedampf angetrieben wurden. Die Pumpen jetzt ein Versagen durch Überdruck zu verhindern, leitete das saugten ihr Wasser aus den für solche Zwecke vorgesehenen Betriebspersonal nach Autorisierung durch die Regierung Wasservorräten aus den ringförmigen »Kondensationskam- bei fast doppeltem Auslegungsdruck (etwa acht Bar) mehr- fach die Druckentlastung der Sicherheitsbehälter ein, das so auf einen blick genannte Containment Venting. Hierzu wurden die Ventile zunächst von Hand und später mit Hilfe von mobilen Kom- pressoren bewegt. Unklar ist, wie der Wasserstoff sich in den VERMEIDbARETRAgöDIE Gebäuden mindestens der Blöcke 1, 3 und 4 ansammeln 1 Nach dem Erdbeben der Stärke 9,0 schalteten sich die am Netz befindlichen Reaktorblöcke 1 bis 3 von Fukushima-Daiichi planmäßig ab; die Blöcke 4 bis 6 waren wegen Wartungsarbeiten konnte, anstatt planmäßig gefiltert über die Kamine abgege- ben zu werden. Vom Block 2 war eine interne Explosion zu bereits vorher außer Betrieb. Danach überflutete eine 14 Meter hören. Von der wird angenommen, dass sie den Sicherheits- hohe Tsunamiwelle die Anlage. behälter beschädigte, so dass radioaktive Stoffe bis in den 2 Forscher wissen, dass im Durchschnitt alle 30 Jahre ein großer Tsunami Japans Küsten erreicht. Dafür keine Vorkehrungen zu treffen, ist ein gravierender Mangel der Gebäudeauslegung. Maschinenhauskeller gelangen konnten. In der Folge kam es zu den spektakulären Wasserstoff- explosionen mit Zerstörung der Reaktorgebäudestrukturen 3 Obwohl japanische Sicherheitsexperten in den letzten Jahren immer wieder auf diese Sicherheitsmängel hinwiesen, ver- blieben die Notstromdieselmotoren in den Kellern von Maschinen- der Blöcke 1, 3 und 4. Zugleich wurden unkontrolliert radio- aktive Stoffe in die Umgebung abgegeben. Auf Grund der häusern, die nicht gegen Wassereinbruch geschützt waren. kumulierten Freisetzungsmenge hat die japanische Sicher- heitsbehörde auf der International Nuclear Event Scale INES 78 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 72. Flugzeugabstürze als Sicherheitsrisiko Nach dem Unfall in Fukushima bewertete die Reaktorsicher- vor Treibstoffbrand untersucht. Diese vier Kraftwerke sind seit heitskommission (RSK) im Auftrag der Bundesregierung im Mai März 2011 oder schon länger abgeschaltet. dieses Jahres erneut die Sicherheit der deutschen Kernkraft- Die Kraftwerke Isar 1, Neckarwestheim 1 und Unterweser werke. Vor allem verglich sie die mangelhaften Standards in Fu- sind gegen den Aufprall eines kleinen Militärflugzeugs gewapp- kushima, die zum Unglück in Japan beitrugen, mit den entspre- net. Für ein Flugzeug mittlerer Größe erfüllen sie die Richtlinien chenden deutschen Vorschriften. Darüber hinaus bewertete sie zwar formal nicht – doch liegen zu diesen Anlagen jedenfalls aber auch andere Risiken, zum Beispiel mögliche Flugzeugab- Untersuchungen vor, nach denen die Kraftwerke auch in dieser stürze. Dazu entwickelte die Kommission neue Kriterien, die Situation hinreichend sicher sein könnten. Gegen ein großes über die schon vorhandenen Sicherheitsbestimmungen hi- Verkehrsflugzeug allerdings wären sie nicht geschützt. Die Be- nausgehen. Die Betreiber hatten daraufhin mit entsprechen- treiber von Neckarwestheim 1 weisen jedoch darauf hin, dass den Nachweisen zu belegen, inwieweit die Bestimmungen von der Standort es flugtechnisch praktisch unmöglich macht, die den einzelnen deutschen Reaktoren erfüllt werden. Anlage zu treffen. Auch diese drei Kraftwerke sind seit März 2011 Bei der Auslegungsbasis der Anlagen unterschied die RSK nicht mehr in Betrieb. zwischen einem kleinen Militärflugzeug vom Typ Starfighter, ei- Für alle anderen Anlagen – Brokdorf, Emsland, Grafenrhein- nem mittleren Militärflugzeug vom Typ Phantom sowie einem feld, Grohnde, Gundremmingen B und C, Isar 2, Krümmel und mittleren und einem großen Verkehrsflugzeug. Zusätzlich be- Neckarwestheim 2 – gilt: Sie sind vor kleinen Flugzeugen sicher rücksichtigte die Kommission jeweils, dass auch der Treibstoff und erfüllen auch die Kriterien für mittlere Militärflieger. Für eines Flugzeugs einen Brand im Kraftwerk auslösen könnte. mittelgroße und große Verkehrsflugzeuge gibt es zwar Unter- Als erfüllt galt ein Kriterium, wenn die wichtigen Grundfunk- suchungen, doch sie entsprachen nicht den Kriterien der RSK. tionen des Kraftwerks durch den Absturz nicht beeinträchtigt Mit Ausnahme von Krümmel, das seit Längerem nicht mehr am würden. Netz ist, laufen diese Anlagen weiter und sollen nach Regie- Laut dem Untersuchungsergebnis erfüllen die Kernkraft- rungsbeschluss vom 30. Juni 2011 bis 2022 nach und nach abge- werke Biblis A und B, Brunsbüttel und Philippsburg 1 formal schaltet werden. nicht einmal die Schutzkriterien für den Absturz eines kleinen Die Stellungnahme der Reaktorsicherheitskommission ist Militärflugzeugs. Die Betreiber verweisen jedoch auf Modell- im Internet unter www.rskonline.de zu finden. rechnungen, nach denen die Anlagen in einem solchen Fall den- Barbara Wolfart noch ausreichend stabil sind. Die Anlagen Brunsbüttel und Phi- Die Autorin ist freie Wissenschafts- lippsburg 1 sind zudem noch nicht genügend auf ihren Schutz journalistin in Heidelberg. der International Atomic Energy Agency (IAEA) den Vorfall in aller Anlagen vorgelegt. Mit Stand Mai 2011 sind als vordring- die höchste Kategorie 7 (»katastrophaler Unfall«) eingestuft. liche Maßnahmen die Sicherstellung der langfristigen Kern- Insgesamt wurden einige 10 000 Terabequerel Jod-Äquiva- beziehungsweise Schmelzekühlung definiert, auch durch die lent an Radioaktivität freigesetzt, rund ein Zehntel der Men- teilweise Flutung der Sicherheitsbehälter mit Wasser oder ge der Tschernobyl-Katastrophe von 1986. durch Einleitung von weiterem Stickstoff. Mittelfristig sollen Bezüglich der Strahlenbelastung bedeutet dies, dass beim die bestehenden Kühlsysteme zur langfristigen Abfuhr der Unfall in Fukushima hauptsächlich Jod und Zäsium in der Nachwärme wieder aktiviert oder durch neue ersetzt werden, Größenordnung von einigen Prozent des Gesamtinventars um zur Kreislaufkühlung übergehen zu können. Diese ver- der Anlage in die Umgebung gelangten. Hierbei wurden die- hindert weitere Freisetzungen und ermöglicht, den Salzge- se Radionuklide vom Wind vor allem zunächst nach Osten halt in den Reaktoren (sie wurden zeitweise über externe und später kurzzeitig auch nach Nordwesten weggetragen. Mobilpumpen mit Meerwasser gekühlt) und damit die Kor- Simulationsmodelle, die durch Messungen bestätigt wur- rosionsgefahr zu verringern. den, zeigen über Land die höchsten Kontaminationen im Voraussetzung für weitere Maßnahmen an den Reakto- Nordwesten bis in eine Entfernung von etwa 30 Kilometern. ren ist die Dekontaminierung der über 100 000 Tonnen Wasser besonders in den Maschinenhäusern, die mit radio- Dekontaminierung des radioaktiv verseuchten Wassers aktiven Stoffen belastet sind. Dafür werden hauptsächlich Nachdem anfänglich Jod-131 (mit einer Halbwertszeit von die am Standort befindliche Wasseraufbereitungsanlage acht Tagen) die Bevölkerung am stärksten belastet hat, sind und externe, zum Teil schwimmende Tanks eingesetzt. Das dies seit Mai die Zäsiumisotope 134 und 137, die mit Halb- gereinigte Wasser wird auch zur Kühlung der Reaktoren ver- wertszeiten von etwa 2 und 30 Jahren deutlich langlebiger wendet. und damit weniger aktiv sind als Jod-131. Der Betreiber hat ei- Grundsätzlich versuchen die Ingenieure der Betreiberfir- nen ausführlichen Plan für die Sicherung des Kraftwerks und ma, die Messinstrumente der Anlagen wieder in Gang zu WWW.SPEKTRUM.DE 79
- 73. setzen oder zuersetzen. Ein wichtiger Punkt ist die Ab- Chronik einer Katastrophe sicherung der zerstörten Reaktorgebäude gegen wei- tere Erdstöße. Dies gilt vor Reaktorgebäude allem für das Brennelement- Luft Abklingbecken von Block 4, Notkühlsysteme fallen aus Brennelement- Sicherheits- Lagerbecken das zeitweise – wie auch die 11. März 2011: Durch den Tsunami fallen die Not- behälter Lagerbecken von Block 1 und stromdiesel der Blöcke 1 bis 4 aus. Zunächst kön- Luft 3 – über Betonpumpen mit nen dampfgetriebene Notkühlpumpen die Nach- Auslegern von 55 bis 70 Me- wärmeabfuhr aufrechterhalten. Nach Stunden Frisch- ter Höhe wieder aufgefüllt sind die Batterien für den Betrieb ihrer motorange- dampf wurde. steuerten Ventile leer, die Kondensationskammern Speise- Reaktorkern heizen sich auf, und die Pumpen fallen aus. Tepco wasser Unklare Ursache leitet die Einspeisung von See- und später Süß- N2 Weiterhin unklar ist die Ur- wasser in die Reaktoren ein, jedoch zu spät, die sache für die Explosion in Reaktorkerne werden über Stunden Block 4. Zunächst befürchte- Kondensations- nicht mehr gekühlt. Das Kühlwasser kammer ten die Experten, die Brenn- verdampft, die Füllstände sinken. (Wasservorlage) Reaktordruck- behälter elemente seien zumindest im Lagerbecken von Block 4 durch Wasserverlust zer- stört worden. Das erscheint Luft inzwischen wieder unwahr- Die Temperatur steigt scheinlich, denn Fotos zei- Erste Phase: Die Hüllrohre der Brennstäbe erhitzen gen die intakten Lagergestel- sich auf über 900 Grad Celsius und bekommen le mit sichtbaren Brennele- erste Risse; Edelgase und flüchtige Spaltprodukte mentköpfen. H2O + H2 + SP (SP) entweichen. Zweite Phase: In den Hüllrohren Im Lagerbecken von Block erreicht die Temperatur 1200 Grad Celsius. Das 3 waren zum Unfallzeitpunkt Zirkonium in der Hüllstablegierung reagiert exo- insgesamt 32 bestrahlte Plu- therm, das heißt unter zusätzlicher Wärmebil- toniumbrennelemente vor- N2 dung, mit Wasser (H2O). Dabei entsteht Wasser- handen. Diese unterschei- stoffgas (H2). Wasserstoff, Wasserdampf und den sich in radiologischer Spaltprodukte gelangen in die Hinsicht jedoch nicht we- Kondensations- Kondensationskammern. kammer sentlich von Uranbrennele- menten. Mittel- bis langfristig plant Tepco jetzt, die Trüm- mer am Standort zu beseiti- Luft gen. Außerdem sollen der Der Reaktorkern wird zerstört Boden sowie das kontami- und geflutet nierte Wasser in den Gebäu- Ab 2700 Grad Celsius beginnt der keramische dekellern und den Leitungs- Brennstoff Urandioxid zu schmelzen. Metallische schächten dekontaminiert oder keramische Schmelzgemische bilden sich, der werden. Schließlich gilt es, Reaktorkern schmilzt vollständig. Zu diesem Zeit- Kühl- die Reaktor- und Maschinen- punkt lassen die Betreiber in Fukushima Kühlwas- wasser gebäude wieder zugänglich ser ein: in Block 1 am 12. März, um 5.20 Uhr (nach zu machen. 14 Stunden ohne Kühlung); in Block 2 am 14. März, Wie gut seine Kernkraft- H2 N2 um 16.34 Uhr (nach drei Stunden ohne Kühlung); werke etwa gegen Erdbeben in Block 3 am 13. März, um 13.12 Uhr (nach acht SP und Überflutungen durch Stunden ohne Kühlung). Tsunamis gesichert sein müssen, legte Japan in den 1960er Jahren fest. In dieser 80 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 74. Zeit begann auchder Bau des Kernkraftwerks Fukushi- ma. Während der Schutz der Chronik einer Katastrophe (Fortsetzung) Anlage vor Erdbeben stets großzügig ausgelegt und im Lauf der Jahre neuen Er- kenntnissen angepasst wur- Luft Der Sicherheitsbehälter wird kontaminiert de, hatte man in Bezug auf Tsunamis die Standorte nur Edelgase wie Xenon gelangen durch die Konden- Sicherheitsbehälter gegen die jeweils bekannte sationskammer in den Sicherheitsbehälter. Leicht- historische maximale Wel- flüchtige Spaltprodukte wie Jod, Zäsium und lenhöhe mit einer geringen, Strontium werden weit gehend in der Wasservor- nicht systematisch festge- lage zurückgehalten, wenige Prozent gelangen in setzten Reserve geschützt. die Sicherheitsbehälter. Uran und Plutonium Abschätzungen, welche Wel- verbleiben im Reaktorkern. H2 N2 lenhöhen realistischerweise auftreten könnten (»proba- SP bilistischer Ansatz«), haben bis zum Fukushima-Ereignis keinen Eingang in die be- hördliche Aufsichtspraxis und damit die Sicherheits- gestaltung der Anlagen ge- funden. zündfähiges H2 -Luft-Gemisch Druck steigt im Sicherheitsbehälter Deutsche Kernkraftwerke Luft sind so ausgelegt, dass sie ei- Der Druck im Sicherheitsbehälter erreicht zirka nem Hochwasser standhal- acht Bar. Seine drei Zentimeter starke Außenhülle mögliche ten, wie es statistisch nur alle ist aber nur für vier bis fünf Bar ausgelegt. Die Leckagen 10 000 Jahre auftritt, sowie Mannschaften leiten gezielte Druckentlastungen einem Erdbeben einer Stärke, der Sicherheitsbehälter ein (»Containment Ven- wie es im Mittel lediglich alle ting«). Die hierfür installierten Entlastungsventile Venting? 100 000 Jahre vorkommt. Zu werden pneumatisch mit Hilfe von Mobilkompres- soren bedient, in Block 1 am 12. März, um 10.17 Uhr, N2 den Absicherungen gehören H2 verbunkerte, das heißt gegen in Block 2 am 13. März, um 11.00 Uhr, in Block 3 am SP alle Einwirkungen von außen 13. März, um 8.41 Uhr. Die vorgesehenen Druckent- wie etwa Überflutungen ge- lastungswege über Filter zu den Kaminen funktio- Leitungsbruch? schützte Notstromeinrich- nieren jedoch nicht. tungen. Die Kernkraftwerke in Fukushima weichen auch Blöcke im Detail von der sicher- 1 und 3 Wasserstoff explodiert heitstechnischen Auslegung deutscher Kernkraftwerke Der Wasserstoff sammelt sich unter den Dächern ab: zum Beispiel bei der An- und bildet mit dem dort vorhandenen Luftsauer- zahl der redundant (mehr- stoff zündfähige Knallgasgemische. Das Knallgas explodiert und zerstört die Stahlkonstruktion der iLLUStRAtionEn DiESER DoPPELSEitE: BERnHARD KUczERA fach) und diversitär (mit unterschiedlicher Technik) Reaktorgebäude: im Block 1 am 12. März, um 15.30 gestalteten Systeme zur Uhr, im Block 2 am 15. März, um 6.10 Uhr, und im Nachwärmeabfuhr und Not- Block 3 am 14. März, N2 H2 Block kühlung sowie der Not- um 11.01 Uhr. 2 SP stromsysteme. So waren in Fukushima-Daiichi jeweils nur zwei Notstromdieselag- gregate pro Block und ein 13. als Reserve für den gesam- WWW.SPEKTRUM.DE 81
- 75. ten Standort vorhanden.In Deutschland gibt es dagegen pro Druckentlastung den Austritt des Wasserstoffs verhindern Block in der Regel vier Notstromdiesel plus mindestens zwei können. In den deutschen Kernkraftwerken sind im Gegen- (bis zu vier) weitere diversitäre Systeme. In Deutschland satz zu Fukushima zuverlässige Systeme für eine gezielte, werden die benötigten Treibstoffvorräte zudem zusammen gefilterte Druckentlastung der Sicherheitsbehälter instal- mit den Notstromsystemen in verbunkerten Gebäuden un- liert. Die Filter sind so konstruiert, dass sie über 99,9 Prozent tergebracht. Die Dieselmotoren können somit autark betrie- der radioaktiven Aerosole und Partikel zurückhalten. Die ge- ben werden. filterte Abluft wird danach über den Kamin weiträumig ver- Für den Fall von – auch erdbebenbedingten – Störungen dünnt, so dass Auswirkungen auf die Umgebung minimiert der Stromversorgung, bei denen keine Grenzwerte für das werden. Vergleichbare Einrichtungen in Fukushima haben Auslösen der Reaktor-Schnellabschaltung erreicht werden, ihre vorgesehene Funktion aus noch nicht vollständig be- verfügen alle deutschen Anlagen als Besonderheit über Ein- kannten Gründen nicht erfüllt. richtungen zum automatischen »Abfahren auf Eigenbe- Nochmals die Frage: Warum gab es eine Explosion in Block darf«. Das heißt, sie können sich über einen extrem langen 4, obwohl doch dessen Reaktor zum Unfallzeitpunkt entla- Zeitraum (theoretisch solange der Kernbrennstoff reicht) den war? Nach neueren Angaben des Betreibers ist offenbar selbst mit Strom versorgen. über gemeinsam genutzte Leitungen aus Block 3 ungeplant Wasserstoff in Block 4 gelangt. Eine solche blockübergreifen- In Fukushima wurden die Notfallmaßnahmen de Verbindung von Sicherheitssystemen gibt es in vergleich- zu spät eingeleitet barer Form in deutschen Anlagen nicht. In Kernkraftwerken sind zusätzliche Maßnahmen für Notfäl- Eine der ersten Maßnahmen der japanischen Aufsichts- le vorgesehen, wenn der so genannte Auslegungsfall über- behörde nach dem Reaktorunfall bestand darin, für alle japa- schritten wird. Um in so einem Fall die Kernschmelze zu ver- nischen Kernkraftwerke zusätzliche Nachweise zur Beherr- meiden, soll etwa über mobile Pumpen Notkühlwasser in schung von Überflutungen zu fordern. Tatsächlich werden den Reaktor eingespeist werden. Generell sind aber Kriterien derzeit Wasserschutztüren an den sicherheitstechnisch wich- für einen rechtzeitigen Beginn solcher Maßnahmen defi- tigen Gebäuden nachgerüstet, insbesondere bei Gebäuden, niert. Diese sind in Notfallplänen beschrieben und von der in denen die Notstromdiesel untergebracht sind. Solche Tü- Mannschaft geübt. In Fukushima erfolgte die Einleitung der ren hätten in Fukushima-Daiichi die Katastrophe verhindert. Notfallmaßnahmen jedoch zu spät. Ministerpräsident Naoto Kan hat Ende Mai eingeräumt, dass Doch was geschieht, falls es dennoch zu einer Kern- die Aufsichtsbehörde NISA nicht unabhängig von den Betrei- schmelze kommt? In Fukushima gelangte aus den Sicher- bern war, und umfassende organisatorische Gegenmaßnah- heitsbehältern mindestens der Blöcke 1 bis 3 Wasserstoff in men angekündigt. die Reaktorgebäude und führte dort zu den starken Explo- Gesundheitsschäden durch den Reaktorunfall in Fukushi- sionen. Möglicherweise haben die Silikongummi-Flansch- ma halten sich zum Glück in Grenzen: So gab es am Kraft- dichtungen der Sicherheitsbehälterdeckel den Druckanstieg werksstandort Fukushima bisher keine nuklear bedingten bis fast zum doppelten Wert, für den sie ausgelegt waren, Todesfälle, jedoch einen beim Erdbeben ums Leben gekom- nicht ausgehalten. In diesem Fall hätte nur die rechtzeitige menen Mitarbeiter (in Daini). Die Reaktoren am Standort Fukushima-Daiichi liegen in zehn Reaktoren am Meer Meter Höhe 70 Meter vom Meer entfernt. Direkt zum Wasser orientiert ist jeweils das Maschinenhaus mit den Notstrom- Reaktorgebäude dieselmotoren im Keller. Als der Tsunami die Gebäude erreichte, zerstörte er zuerst die – nicht wasserdichten – Türen der Ma- ≈ 20 schinenhäuser und danach die Dieselaggregate. Meter ≈ 40 Tür Meter ≈ 55 Meter Maschinenhaus + 14 Meter hoher Tsunami + 10 Meter Kühlwasserpumpe Schacht + 5,7 m hoher Schutzwall ± 0 Meter Referenz- Kabeltunnel wasserpegel Einlauf Notstrom- dieselaggregat BERnHARD KUczERA ≈ 70 Meter 82 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 76. Zwei Menschen ertranken,einer starb an Erschöpfung, di e autoren etwa 30 wurden verletzt, jedoch traten keine sofortigen und bisher auch praktisch keine Langzeitstrahlenschäden auf. 30 Personen waren maximalen Strahlendosen zwischen 100 und 180 Millisievert ausgesetzt, zwei weitere Arbeiter er- hielten bei Aufräumarbeiten Strahlendosen zwischen 180 und 250 Millisievert (Juni 2011). Bei 200 Millisievert erhöht sich das individuelle Langzeitrisiko für Krebs um ein Pro- zent, das heißt, von 100 Personen mit dieser Dosis wird eine Von links nach rechts: Bernhard Kuczera promovierte 1974 an der tH Karlsruhe auf dem Gebiet der Reaktorsicherheit und war im Person zusätzlich langfristig an Krebs erkranken. ehemaligen Forschungszentrum Karlsruhe (heute: Karlsruher Inzwischen liegen hinreichende Informationen für eine institut für technologie, Kit) sowie ab 2001 vier Jahre bei der inter- Zwischenbilanz vor. Als der entscheidende Faktor für den nationalen Atomenergiebehörde (iAEA) in Wien tätig. Ludger Mohrbach studierte Maschinenbau und Reaktortechnik in Bochum Unfall in Fukushima-Daiichi kristallisiert sich heraus, dass und promovierte dort 1989 zur thermohydraulik des Schnellen die Anlagen schlicht nicht gegen große, aber in Japan immer Brüters. Heute leitet er bei VGB Powertech e. V. das Kompetenz- wieder vorkommende Tsunamis ausgelegt waren. Damit fällt zentrum »Kernkraftwerke«. Walter Tromm arbeitet seit seinem Maschinenbaustudium an der technischen Universität Karlsruhe die Katastrophe nicht in den Bereich des anlagentechnischen in verschiedenen Positionen am Kit auf dem Gebiet der Reaktor- Restrisikos, sondern betrifft die Gestaltung der Basisausle- sicherheit. Seit 2003 arbeitet er dort im Programm nukleare gung. Diese bot gegenüber durchaus absehbaren Einwirkun- Sicherheitsforschung und leitet dieses seit 2010. Joachim Knebel gen von außen kaum Schutz. ist seit 1993 nach einem Maschinenbaustudium in Karlsruhe und anschließender Promotion am Kit tätig. zunächst leitete er das Programm nukleare Sicherheitsforschung, danach das institut für Ein großer Tsunami durchschnittlich alle 30 Jahre neutronenphysik und Reaktortechnik. Seit oktober 2010 ist er Alle betroffenen Kernkraftwerksblöcke an den oben genann- chief Science officer des Kit. ten vier japanischen Standorten haben die direkten Beben- einwirkungen dank deutlicher Sicherheitsreserven in der quellen Konstruktion relativ unbeschadet überstanden. Die Boden- Ehrhardt, J., Weis, A. (Hg.): RoDoS: Decision Support System beschleunigungen übertrafen die angenommenen Höchst- for off-Site nuclear Emergency Management in Europe. Europä- werte maximal um 25 Prozent, und die Schnellabschaltun- ische Kommission, Brüssel. Report EUR 19144, 2000 gen und der Notstrombetrieb haben wie vorgesehen funkti- Kuczera, B.: Das schwere tohoku-Seebeben in Japan und die Aus- wirkungen auf das Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi. in: atw 4/5, oniert. Das war jedoch nur der Fall, bis der Tsunami mit einer S. 234 – 241, 2011 Überflutungshöhe von rund vier Metern auf dem Kraft- Mohrbach, L.: Unterschiede im gestaffelten Sicherheitskonzept: werksgelände eintraf. Vergleich Fukushima Daiichi mit deutschen Anlagen. in: atw 4/5, S. 242 – 249, 2011: www.vgb.org Die Hochwasserauslegung für Fukushima-Daiichi betrug zehn Meter. Im Schnitt trifft alle 30 Jahre ein Tsunami von literaturtipps mindestens zehn Meter Wellenhöhe einen japanischen Küs- tenabschnitt. Vorsichtige Abschätzungen setzen diesen Wert IAEA, iAEA international Fact Finding Expert Mission of the nuclear für Fukushima standortspezifisch bei 100 bis 1000 Jahren Accident Following the Great East Japan Earthquake and tsunami – Preliminary Summary, 24. 5. – 1. 6. 2011 an. Tsunamis dieser Art können auch durch wesentlich klei- Onishi, N., Glanz, J.: Japanese Rules for nuclear Power Plants Relied nere Erdbeben als das Seebeben vom 11. März 2011 mit einer on old Science. in: new York times, 26. März 2011 Magnitude 9,0 ausgelöst werden, und zwar hinunter bis zu www.nytimes.com/2011/03/27/world/asia/27nuke.html?_r=1hp RSK-Stellungnahme (437. RSK-Sitzung): Anlagenspezifische Sicher- einer Magnitude von 7,4. heitsüberprüfung (RSK-SÜ) deutscher Kernkraftwerke unter Be- Kernkraftwerke in Deutschland sind gegen weit seltenere rücksichtigung der Ereignisse in Fukushima-i (Japan). 11. – 14. 5. 2011 interne und externe Ereignisse wie das 10 000-jährige Hoch- wasser (langsam auflaufend) oder das 100 000-jährige Erdbe- webli n ks ben für den jeweiligen Standort ausgelegt. Die Anforderungen www.kit.edu/besuchen/6042.php an die Anlagenauslegungen (etwa die Deichhöhen) sind – im Hintergrundinformationen zu Fukushima und den nuklearen Folgen Gegensatz zu Japan – unter Berücksichtigung aller denkbaren www.vgb.org Ursachen quantifiziert: Ihre Überschreitung durch extreme Präsentationen zum Ablauf in Fukushima und zur »Deutschen Einwirkungen von außen (Naturkatastrophen) oder innen Risikostudie Phase B« (Komponentenversagen) ist so selten, dass sie dem Restrisiko- www.spektrumdirekt.de/artikel/1066570 Interview mit Joachim Knebel zur Lage in Fukushima am 16. März 2011 bereich (seltener als einmal in mindestens 100 000 Jahren) www.wissenschaft-online.de/artikel/1069213_z=859070 zuzuordnen ist. Es gibt somit keinen sicherheitstechnischen In diesem zweiten Interview beleuchtete Joachim Knebel die Situation Grund, deutsche Kernkraftwerke vorzeitig abzuschalten. Ein in Fukushima einen Monat später. Problem stellen jedoch denkbare terroristische Anschläge Diesen Artikel sowie weiterführende informationen finden Sie im dar. Die Sicherheitsanalysen hierzu fallen in den Bereich internet: www.spektrum.de/artikel/1114591 staatlicher Vorsorge (siehe Kasten S. 79). Ÿ WWW.SPEKTRUM.DE 83
- 77. RöNTgENlASER Nanowelt imRöntgenlicht In Hamburg entsteht die wohl längste Lichtquelle der Welt: ein 3,4 Kilometer langer, unterirdischer Röntgenlaser. Mit Hilfe des European XFEL werden Forscher ab 2015 die Strukturen von Biomolekülen in kürzester Zeit aufklären und chemische Reaktionen live verfolgen können. Von Gerhard Samulat D as Experiment erinnert ein wenig an den Comic- 2000-mal pro Minute ein weiteres der nur einige hundert Helden Lucky Luke, der den Revolver schneller milliardstel Meter großen Objekte in den Röntgenstrahl. als sein eigener Schatten zieht. Ein Forscherteam Mehrere Tage lang erfasst und digitalisiert die Arbeitsgruppe um Henry Chapman vom Hamburger Center for Millionen von Beugungsmustern. Die Datenrate ist höher als Free-Electron Laser Science (CFEL) beschießt eine Probe win- die der Teilchenphysikexperimente am Large Hadron Colli- ziger Nanokristalle. Seine »Waffe«: der Freie-Elektronen-La- der LHC in Genf. ser LCLS (Linac Coherent Light Source) im US-amerikanischen Aus über 10 000 der besten Beugungsmuster setzen Stanford, der zurzeit leistungsstärkste Röntgenlaser der Welt. Chapman und sein Team schließlich ein 3-D-Bild zusam- Innerhalb einer Pikosekunde (10 – 12 Sekunden) zerplatzen die men und vergleichen es mit früheren Ergebnissen anderer Moleküle des Photosystem-I-Protein-Komplexes unter den Wissenschaftler, die noch mit normaler Röntgenstrahlung gewaltigen elektromagnetischen Kräften des grellen Lichts. arbeiteten. Und tatsächlich: Die Daten ergeben einen per- Es ist gut eine Milliarde Mal heller als das herkömmlicher fekten Kristall des für die Fotosynthese so wichtigen Photo- Strahlungsquellen und erhitzt die fragilen Biomoleküle auf system-I-Protein-Komplexes. Die Ersten, die die Struktur des Temperaturen, die jene der Sonnenoberfläche um gut das Moleküls aufklärten, benötigten für diese Arbeit 13 Jahre, Zehnfache übertreffen. die Arbeitsgruppe um Chapman nur wenige Tage. Ein wei- Rund um die Probe hat Chapmans Team empfindliche terer Vorteil der neuen Technik: Nanokristalle sind viel ein- Nachweisgeräte angeordnet. Sie registrieren jedes der an den facher herzustellen als die zum Teil 100-mal größeren Pro- Molekülen gestreuten Photonen. Um die in der Photonen- teinkristalle, die für herkömmliche Synchrotronstrahlungs- glut verdampften Nanokristalle zu ersetzen, fällt knapp untersuchungen notwendig sind. auf einen blick Vermessen und sofort zerstören Im Anschluss an seine Proteinuntersuchung gelang dem Forscherteam Anfang dieses Jahres auch die Strukturanalyse lIvESzENENAUSDEMREICHDERMolEKülE des Mimivirus, eines der größten der bekannten Viren. Nor- 1 Weltweit werden immer mehr Teilchenbeschleuniger statt für Partikelphysik für Forschung mit Photonen eingesetzt, als Licht- quelle quasi. Zu diesem Zweck entsteht auch der European XFEL malerweise müssen die Forscher ein Biomolekül erst einmal kristallisieren – oft in monate- oder jahrelanger Arbeit –, in Hamburg: ein riesiger Freie-Elektronen-Laser, der Röntgenlicht um seine Struktur mit Beugungsexperimenten untersuchen abstrahlt. zu können. In einem Kristall sind nämlich viele Exemplare des Moleküls regelmäßig angeordnet, so dass das Beugungs- 2 Mit den energiereichen Photonen lassen sich beispielsweise die dreidimensionalen Strukturen komplexer Biomoleküle innerhalb weniger Tage aufklären. Früher brauchten Forscher dazu bild verstärkt wird. Mit ihren Studien am Mimivirus zeigten die Forscherinnern und Forscher um Chapman jedoch, dass Jahre. Auch kann man mit Röntgenlasern gewissermaßen live verfolgen, wie chemische Reaktionen ablaufen oder Katalysatoren leistungsstarke Röntgenlaser den beschwerlichen Umweg wirken. über eine Kristallisation komplett überflüssig machen kön- nen. Wahrscheinlich lassen sich mit dieser Methode eines Ta- 3 Eines Tages, so hoffen die Wissenschaftler, werden sie ihre Untersuchungen auf lebende Zellen ausdehnen können. ges sogar lebende Zellen analysieren: Experimentatoren wür- den dann mit einem einzigen Röntgenblitz eine so hohe In- 86 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 78. TECHNIKCoMPUTER DESY tensität auf eine Probe konzentrieren, dass sie deren Struktur 2015 soll der Freie-Elektronen-Laser European XFEL bereit sein, sei- komplett analysieren können – obwohl sie praktisch unmit- ne wissenschaftlichen Aufgaben zu erfüllen. Mit seinem gebün- telbar nach dem Auftreffen des Lichts zerstört wird. delten Röntgenlicht wollen Forscher atomare Details von Viren und Auch aus diesem Grund soll nun ein großer Röntgenlaser Zellen entschlüsseln und chemische Reaktionen filmen. Bislang errichtet werden. »Die hohe Intensität und Brillanz (siehe mussten solche Proben aufwändig kristallisiert werden. Das Glossar) des European XFEL, der derzeit bei Hamburg gebaut Röntgenlicht wird von Elektronen abgestrahlt, die zuvor durch elek- wird, erlauben uns künftig, blitzschnell einzelne Nanoobjek- tromagnetische Felder in Hohlraumresonatoren wie in dieser te oder Makromoleküle zu untersuchen«, erklärt Massimo künstlerischen Darstellung extrem stark beschleunigt werden. Altarelli, geschäftsführender Direktor der European XFEL GmbH. Der in Rom geborene Physiker besitzt große Erfah- rung mit dem Bau von Beschleunigern. Schon als Student Glossar beschäftigte er sich mit Röntgenphysik, später arbeitete er am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. ➤ SynchrotronStrahlung entsteht, wenn Elektronen Anschließend war Altarelli Direktor am Hochfeld-Magnet- auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann labor in Grenoble ebenso wie am dortigen ESRF, der europä- durch magnetische Felder abgelenkt werden. Wegen relati- ischen Synchrotronstrahlungsquelle, und am Elettra Syn- vistischer Effekte senden die Partikel die elektromagnetische chrotron Light Laboratory im italienischen Triest. Dann rief Strahlung vorwiegend in Flugrichtung aus. Für den harten man ihn für das europäische XFEL-Projekt, das 2015 für die Röntgenbereich fehlten den Wissenschaftlerinnen und Wis- wissenschaftliche Nutzung bereit sein soll, nach Hamburg. senschaftlern bislang aber gute Laserquellen, weil es derzeit »Offenbar gehört es zu meinem Schicksal, den Bau und Be- keine Spiegel gibt, welche die energiereiche Strahlung aus- trieb wissenschaftlicher Großgeräte zu organisieren«, sagt reichend gut reflektieren könnten. Die Freie-Elektronen-Laser Altarelli schmunzelnd. erweitern daher das Spektrum der Forschung mit Synchro- Typisch für viele große Beschleunigeranlagen auf der Welt tronstrahlung in den harten Röntgenbereich hinein. ist, dass zunehmend Material- oder Festkörperphysiker wie ➤ Brillanz ist ein Maß sowohl für die Anzahl der in einem Altarelli das Sagen haben. Sie drängen die angestammten bestimmten Wellenlängenbereich erzeugten Photonen als Teilchenphysiker mehr und mehr in den Hintergrund. Denn auch dafür, wie klein die Lichtquelle ist und wie eng gebün- neben der strukturellen Biologie – ein sich abzeichnendes delt der Lichtstrahl ausgesandt wird. Hauptanwendungsgebiet der Röntgenlaser – eignen sich die WWW.SPEKTRUM.DE 87
- 79. Scheibchenweise Licht Ein Freie-Elektronen-Laser ist ein Lichtverstärker: In ihm werden Elektronenkanone und Beschleuniger Elektronen auf hohe Energien beschleunigt und in speziellen Magnetanordnungen – so genannten Undulatoren – zum Ab- strahlen intensiver Lichtblitze angeregt. Seinen Namen ver- dankt der Freie-Elektronen-Laser der Tatsache, dass die Licht Elektronenfalle emittierenden Elektronen nicht an Atome gebunden sind, son- dern sich frei bewegen. Zunächst katapultiert ein Beschleuniger die Ladungsträger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und damit auf hohe Energien. Röntgen- Im Fall des XFEL ist allein der Beschleuniger 2,1 Kilometer lang strahl (siehe Skizze S. 92/93). Danach fliegen die Teilchen in den Undu- Undulator Ablenkmagnet (Magnetanordnung) lator hinein. Dort werden sie von einer alternierenden Abfolge Experiment magnetischer Nord- und Südpole auf einen Schlingerkurs ge- DE SY bracht (siehe Grafiken), also fortwährend von links nach rechts geschleudert. Wie jede beschleunigte Ladung senden sie dann Die in einer Elektronenkanone erzeugten Teilchen werden elektromagnetische Wellen aus. beschleunigt und durch einen Undulator geführt. Dort Der Trick besteht nun darin, dass jedes Elektron mit dem beginnen sie, Röntgenlicht auszustrahlen – auf Grund Strahlungsfeld der anderen Ladungsträger wechselwirkt. Dazu von relativistischen Effekten vorwiegend in Vorwärtsrich- stimmen die Beschleunigerexperten die Energie der Elektronen tung. Anschließend werden die Elektronen durch einen genau auf die magnetischen Eigenschaften des Undulators ab. Magneten abgelenkt und »entsorgt«. Die vorher in relativ homogenen Ladungswolken fliegenden Elektronen (fachsprachlich bunches oder Pakete genannt) struk- turieren sich unter dem Einfluss der von ihnen selbst abgegebe- leute nennen das Prinzip Sase, was für selbstverstärkte spon- nen Strahlung – langsame Elektronen werden beschleunigt, tane Abtrahlung (self-amplified spontaneous emission) steht. schnelle etwas gebremst. Damit es in der Praxis funktioniert, müssen die Undulatoren Als Folge davon rücken sie zu scheibchenartigen, kleinen sehr lang sein: Beim Hamburger Flash sind es 30, beim Euro- Gruppen zusammen; es bilden sich so genannte Mikropakete pean XFEL bis zu 250 Meter. aus, deren Abstand genau eine Wellenlänge der Strahlung be- Alternativ kann man in einem Verfahren namens Impfung trägt. Daher überlagert sich das von ihnen ausgesandte Licht oder Stimulation (englisch seeding) einen Laserstrahl geeigne- nahezu perfekt zu einem intensiven, laserartigen Blitz. Fach- ter Wellenlänge von außen auf die Elektronenpakete schießen und sie so anregen, Mikropakete mit zeitlich präziser Vertei- lung auszubilden. Das seeding soll voraussichtlich am Euro- Undulator pean XFEL, aber auch am Flash sowie etwa am geplanten SwissFEL am schweizerischen Paul Scherrer Institut eingesetzt werden. Am European XFEL ist geplant, dafür sogar einen vor- Magnete alternierender Polarität geschalteten Undulator einzusetzen, um die gewünschten kleinen Wellenlängen zu erreichen. Elektronenpaket scheibchenartige Mikropakete auS: NatuRE pHotoNIcS 4, S. 814–821, 2010, FIg. 2 Tritt ein Bündel Elektronen in den Undulator ein, werden die Teilchen durch die wechselnden Magnetfelder hin- und herge- schleudert und emittieren deshalb Röntgenlicht. Unter dem Einfluss der von ihnen abgegebenen Strahlung strukturieren sie sich allmählich selbst: Sie formen scheibenförmige Mikro- pakete, die einander in einer Wellenlänge Abstand folgen. Phasen der Röntgen- Wellen überlagern Dadurch überlagern sich die von ihnen ausgesandten Wellen strahlung sind gegen- sich zu kohärenter einander verschoben. Röntgenstrahlung. zu kohärentem, laserähnlichem Röntgenlicht. 88 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 80. Superlichtquellen ebenso gutzur Untersuchung von Fest- DESY Maske aus Siliziumnitrid körpern oder Oberflächen. Schwerpunkte der Forschung sind Phasenübergänge oder der Ablauf chemischer Reaktionen beispielsweise in der Fotochemie oder Katalyse. Schließlich funktionieren die meisten Prozesse, bei denen die Industrie 1 millionstel Meter Katalysatoren einsetzt, bislang wie Kochen nach Rezept: Man Mehrschicht- weiß, was man tun muss, aber nicht unbedingt, warum. »Das spiegel ist ein wenig wie Risotto kochen«, erklärt Altarelli. »Wenn man aber versteht, was bei der Katalyse auf atomarer Ebene wirklich passiert, kann man die Reaktionsbeschleuniger ge- zielt optimieren«, fügt er hinzu. So lässt sich die Energie- und Materialeffizienz von Herstellungs- oder Reinigungsprozes- z sen deutlich erhöhen. Röntgenblit Das sehen nicht nur die Forscher so. Auch die Nachfrage der Industrie wächst, ergänzt Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums (siehe Interview auf S. 92). DESY steht CCD-Chip für das ebenfalls bei Hamburg gelegene Forschungszentrum Beugungsbild Deutsches Elektronen-Synchrotron. Gemeinsam mit der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg be- Beugungsaufnahmen im Röntgenlicht funktionieren nach einem gründete es das CFEL. Auch DESY-Chef Dosch ist gelernter einfachen Prinzip. Ein Röntgenblitz trifft auf eine Probe. In der Festkörperphysiker. »Chemische Reaktionen sind viel kom- Grafik ist das eine Maske aus Siliziumnitrid, auf der Muster ein- plizierter, als wir an den Universitäten oder Hochschulen graviert sind. Das daran gestreute Licht wird durch einen Spiegel lehren«, sagt er. Viele Wissenschaftler sind beispielsweise da- auf einen digitalen »Film« umgelenkt, einen CCD-Chip. Ein Algo- von überzeugt, dass die Funktion der Ribosomen, die in Zel- rithmus rekonstruiert aus den dort erfassten Daten die ursprüng- len als Eiweißfabriken arbeiten, nicht ausschließlich durch liche Grafik, die durch den intensiven Röntgenstrahl binnen einer den Aufbau oder die Faltung der Moleküle bestimmt wird. tausendstel Nanosekunde zerstört wird. Auch die Dynamik der Ribosomen sei entscheidend. »Diese Vorgänge könnten wir mit dem Röntgenlaser verfolgen«, DESY sagt Altarelli, »und innerhalb weniger Femtosekunden holo- grafische Bilder von diesem Nanokosmos aufnehmen und sie zu einer Art Film kombinieren.« Auf dieser Zeitskala – eine Femtosekunde ist eine billiardstel Sekunde – laufen die meisten chemischen Reaktionen ab. Harte Röntgenstrahlung höchster Qualität Mit dem Beschleuniger Flash besitzt das DESY zwar bereits einen Freie-Elektronen-Laser, der wie auch der künftige Eu- ropean XFEL mit supraleitender Technik arbeitet. Doch ist er zu klein, um die notwendigen kurzen Wellenlängen von unter einem Nanometer (milliardstel Meter) zu erreichen. Gleichwohl konnten die Forscher mit ihm wichtige Erkennt- nisse sammeln: »Beim European XFEL entsteht die extrem energiereiche harte Röntgenstrahlung, bei Flash weiche«, erläutert Altarelli. »Die Anwendungsgebiete ergänzen sich daher.« Mit PETRA III und DORIS III verfügt das DESY auch über zwei Kreisbeschleuniger, die ebenfalls Synchrotronstrahlung im Röntgenbereich aussenden. »Die haben aber nicht die notwendige Intensität und Zeitauflösung, um schnelle che- mische oder biologische Vorgänge sichtbar zu machen«, sagt der Italiener. Die Pulsdauern in einem Synchrotron liegen ty- 3-D-Darstellung der Beugungsbilder, die ein Team um CFEL-For- pischerweise bei 20 bis 50 Pikosekunden (billionstel Sekun- scher Chapman von rund 15 000 Nanokristallen ermittelte. Zwar den) und sind damit rund 1000-mal länger als beim XFEL. wurden die Kristalle durch den Röntgenlaserblitz zerstört, ihre Ursprünglich waren die Kreisbeschleuniger für Teilchen- Struktur konnte aber zuvor vermessen werden. Größe und Farbe physiker gebaut worden. Mit ihrer Hilfe entdeckten die For- der Kugeln geben die Streuintensität am jeweiligen Ort wieder. WWW.SPEKTRUM.DE 89
- 81. scher exotische Elementarteilchenund analysierten die zwi- gen-XFEL entspreche einem Formel-1-Ferrari, während die schen ihnen wirkenden Kräfte. Nach mehreren Umbauten Synchrotrone eher für Pkw oder Motorräder der Oberklasse dienen die Geräte jetzt aber ausschließlich der Forschung stehen. Das heißt aber auch: »Jedes Instrument hat seine mit der von ihnen emittierten Synchrotronstrahlung. Sie eigenen Anwendungsgebiete.« Der European XFEL wird nach sind ein Musterbeispiel für die Metamorphose des DESY: Das seiner Fertigstellung bis zu 27 000 ultrakurze Röntgenblitze internationale Zentrum der Teilchenphysik wird in diesen pro Sekunde erzeugen – gegenüber 120 Blitzen pro Sekunde Jahren zu einer Photonenfabrik, zu einem Dienstleistungs- am US-Beschleuniger in Stanford. Jeder davon ist milliarden- zentrum für eine große wissenschaftliche Gemeinde aus For- fach heller als die Blitze aus den besten Röntgenstrahlungs- scherinnen und Forschern so verschiedener Disziplinen wie quellen herkömmlicher Art. Dazu katapultieren 800 supra- der Physik, Chemie, Biologie oder Medizin. Selbst Geologen leitende Hohlraumresonatoren die Elektronen auf eine Ener- und Planetenforscher arbeiten hier, denn mit Hilfe von Rönt- gie von 17,5 Milliarden Elektronvolt (GeV), bevor sie in so genstrahlung lässt sich auch analysieren, wie sich Materie genannten Undulatoren von starken Magnetfeldern syste- unter extremen Drücken und bei hohen Temperaturen wie matisch hin- und hergeschleudert werden. Erst hier geben im Inneren der Erde oder bei der Entstehung von Planeten sie die laserartigen Röntgenpulse ab (siehe Kasten S. 88). verhält. »Wir starten zwar später als die Anlagen in den Vereinig- »Die Röntgenlaser werden die Synchrotrone trotzdem ten Staaten oder in Japan, können aber extrem viele Pulse nicht überflüssig machen«, betont Altarelli. »Für viele For- pro Sekunde erzeugen«, resümiert Altarelli. Wie auch Henry schungsfragen sind diese sogar besser geeignet.« Der Rönt- Chapmans Arbeiten zeigen, die auf Millionen von Bildern Von der Elektronenkanone in den Beschleuniger Die Güte des Röntgenstrahls steht und fällt mit der Elektronen- Über 800 so genannte Hohl- DESY kanone, die ganz am Anfang seiner Erzeugung steht. Am Bei- raumresonatoren (rechts), je- spiel vom DESY-Laser Flash funktioniert das so: Ein ultraschnel- weils gut einen Meter lang und ler ultravioletter Laserblitz schlägt eine Wolke aus Milliarden aus neun Einzelzellen beste- von Elektronen aus einer Fotokathode aus Zäsium-Tellurid. Die hend, werden zusammenge- Kunst dabei: Die Wolke muss einen möglichst kleinen Durch- schaltet, um die Elektronen auf messer besitzen sowie eine extrem hohe Dichte. Trab zu bringen. Längs der Achse Damit die Ladungsträger wegen ihrer gleichnamigen La- des Moduls schwingen stehende dung nicht sofort wieder auseinanderlaufen, beschleunigen die Mikrowellen, auf denen die Maschinenphysiker die Elektronen nun so schnell wie möglich Ladungsträger »reiten« und so auf Geschwindigkeiten nahe der des Lichts. Denn nach den Ge- Energie gewinnen. setzen der Relativitätstheorie stoßen sich die Ladungsträger Zeitpunkt 1 Kraftlinien Zeitpunkt 2 NacH: guIDo KocH, tu MüNcHEN dann nicht mehr so stark gegenseitig ab. Unmittelbar hinter der Elektronenkanone von Flash befindet sich daher ein Beschleuni- ger-element: ein kleiner, normalleitender Hohlraumresonator e e –d – aus Kupfer, an dem eine Wechselspannung anliegt. Er arbeitet mit einer gepulsten Leistung von fünf Millionen Watt, die in je- Die stehenden Wellen in den Resonatoren sind genau so abge- weils wenigen Millisekunden freigesetzt wird. Dadurch erzeugt stimmt, dass die Elektronen stets beschleunigt werden (Grafik er Feldstärken von 40 bis 50 Megavolt pro Meter. In dem Reso- links). Bevor sich die Polarität der Welle umkehrt und brem- nator bilden sich daraufhin stehende Mikrowellen aus, deren send wirken würde, treten die Teilchen bereits in die nächste Phasen so auf die Elektronenwolken abgestimmt sind, dass die Zelle ein (rechts), wo sie wiederum beschleunigt werden. Teilchen eine starke Beschleunigung in Vorwärtsrichtung erfah- ren. Ein Magnetfeld fokussiert die Elektronenpakete noch. So entsteht ein aus vielen Paketen zusammengesetzter Elektro- entspricht. Ausgelegt sind sie für Feldstärken um 24 Megavolt nenstrahl mit außerordentlich hoher Qualität. pro Meter. Allerdings haben sie noch Spielraum nach oben, ver- Der Resonator wird auch deshalb gepulst betrieben, damit rät Hans Weise, Leiter eines Teilprojekts des Vorhabens. Die Re- er nicht überhitzt und dadurch seine Eigenfrequenz verändert. sonatoren bestehen aus Niob. Kühlt man das silberglänzende Dann wäre er »verstimmt« und würde nicht mehr synchron mit Metall auf minus 271 Grad Celsius ab – das sind zwei Kelvin dem Teilchenbeschleuniger arbeiten. oberhalb des absoluten Nullpunkts –, verliert es seinen elektri- Beim European XFEL mit seinen supraleitenden Beschleuni- schen Widerstand, es wird supraleitend. Weil der Strom nun ver- gungselementen besitzen die Mikrowellen eine Frequenz von lustfrei fließt, kann praktisch die gesamte elektrische Leistung 1,3 Gigahertz, was einer Wellenlänge von etwa 23 Zentimetern von den Mikrowellen auf die Teilchen übertragen werden. 90 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 82. beruhen, ist dasgerade für die Analyse von Nanokristallen wichtig. »Hier werden Dinge machbar, die anderswo nicht Die Lichtquellen der Zukunft durchführbar sind«, ist sich der European-XFEL-Chef sicher. Zwar werden weitere Nationen nachziehen, »doch Konkur- Die Idee zum Bau eines Freie-Elektronen-Lasers (FEL) stammt renz belebt auch die Wissenschaft«, sagt Altarelli und lächelt aus den späten 1960er Jahren. 1976 entwickelte der US- selbstbewusst. Mit Recht: Schon an den Synchrotronstrah- Physiker John M. J. Madey mit Kollegen an der kalifornischen lungsquellen des DESY sind die Messplätze doppelt und drei- Stanford University das erste Exemplar. Das Sase-Prinzip fach überbucht. (siehe Kasten S. 88) diskutierten zum ersten Mal die russi- Aus Kostengründen wird der europäische Röntgenlaser, schen Physiker Anatoli M. Kondratenko und Evgeni L. Saldin. der jährlich rund 4000 Stunden in Betrieb sein soll, zunächst Saldin erprobt seine Theorie seit 1995 an der Tesla-Testanla- als Basisversion mit drei Undulatoren gebaut. Trotzdem boh- ge des DESY, aus welcher sich mittlerweile der heutige Flash- ren die Ingenieure bereits Tunnel für insgesamt fünf dieser Beschleuniger entwickelt hat. Anordnungen von Dipolmagneten. »Das kann man später Weltweit sind etwa zwei Dutzend FEL in Betrieb, weitere nicht mehr nachholen«, erläutert Altarelli und ergänzt: »In befinden sich in Bau oder Planung. Sie sind meist auf be- einem späteren Stadium werden wir wahrscheinlich auch stimmte Wellenlängen optimiert. So arbeiten die beiden FEL versuchen, die Wellenlänge der Röntgenstrahlung weiter zu am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf im mittleren verkleinern.« Nach Erfahrungen an der LCLS in Stanford ist bis fernen Infrarot (mit Wellenlängen von 4 bis 250 Mikro- die Beschleunigermannschaft ziemlich sicher, die Auflösung metern), Flash am DESY hingegen im Ultravioletten sowie ohne große technische Anstrengungen und ohne weitere Fi- im weichen Röntgenspektrum (mit Wellenlängen von 4 bis nanzmittel auf ein halbes Ångström senken zu können – auf 30 Nanometern). Die mit 0,15 Nanometer zurzeit kurzwel- 0,05 Nanometer. Das entspricht etwa der Hälfte eines Atom- ligste Strahlung erzeugt die Linac Coherent Light Source durchmessers. (LCLS) in Stanford. Auch für das Platzproblem am European XFEL haben die Künftige FEL werden ihre Vorgänger unter anderem an Forscherinnen und Forscher Lösungen. An Kreisbeschleuni- Brillanz, der Zahl der Blitze pro Zeiteinheit und anderen Pa- gern können mehrere Experimente zur gleichen Zeit statt- rametern weit übertreffen. Die Wellenlängen ihres Lichts finden, weil die Strahlung den Beschleunigerring überall tan- reicht bis hinab zu 0,1 Nanometern. Zu diesen als Röntgenla- gential verlässt. Doch das Hamburger Instrument verläuft sern bezeichneten Geräten gehört der bereits eingeweihte geradlinig. Magnetische Weichen (siehe auch Skizze S. 92/93) SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser am japani- sorgen daher künftig dafür, dass bereits die Elektronenpakete schen Beschleunigerzentrum SPring-8 nahe Osaka, der im innerhalb von Sekundenbruchteilen auf mehrere Undula- Bau befindliche European XFEL bei Hamburg sowie der ge- toren verteilt werden. »Wir gehen davon aus, dass wir an- plante SwissFEL am Paul Scherrer Institut in der Schweiz. fänglich drei Experimente zur gleichen Zeit laufen lassen können«, kalkuliert Altarelli, später werden es vielleicht sechs sein. Die Weichenstellung soll nach jeweils 2700 Pulsen erfol- der autor gen, die ihrerseits je einen Abstand von etwa 220 Nanose- Gerhard Samulat ist Diplomphysiker und freier kunden (milliardstel Sekunden) haben. Wissenschaftsjournalist in Wiesbaden. Optimierung kurz vor Schluss Die Techniker überlegen auch, den Laserprozess im Undula- tor durch so genanntes seeding mit Licht einer bestimmten Wellenlänge gezielt anzuregen (siehe Kasten S. 88). Ein Fem- tosekunden-Titan-Saphir-Laser, wie er für eine Ausbaustufe Quellen von Flash vorgesehen ist, kommt dafür aber nicht in Frage: Dessen Wellenlänge wäre noch zu groß. Die benötigte Strah- Chapman, H. N. et al.: Femtosecond X-Ray protein Nanocrystallo- graphy. In: Nature 470, S. 73 – 77, 3. Februar 2011 lung will die Beschleunigermannschaft daher aus dem Spek- Tschentscher, T. et al.: Bewegte Bilder aus dem Nanokosmos. Der trum herausfiltern, das sie in einem weiteren Undulator er- Freie-Elektronen-Laser European XFEL. In: physik in unserer Zeit 41, zeugt. Vorher will man das Verfahren aber in Stanford aus- S. 64 – 69, März 2010 probieren. Falls sich der Plan als so einfach herausstellt, wie ihn Techniker und Theoretiker erdacht haben, wird das Gerät webli n ks dann wohl auch gleich in den European XFEL eingebaut. www.xfel.eu/ueberblick/im_vergleich So oder so: Ab 2015 werden die Forscher den Nanokosmos Der European XFEL im internationalen Vergleich mit LCLS (Stanford, im Röntgenlicht studieren. Dank ihres neuen Handwerks- USA) und SPring-8 FEL (nahe Osaka, Japan) zeugs, des European XFEL, werden sie das präziser tun können Diesen artikel sowie weiterführende Informationen finden Sie im als je zuvor. Und vor allem werden sie viele unserer Wissens- Internet: www.spektrum.de/artikel/1114592 lücken in geradezu rasantem Tempo schließen können. Ÿ WWW.SPEKTRUM.DE 91
- 83. INTERvIEW Zukunftsbaustelle Photonenfabrik Helmut Doschist chef des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), der Heimat des im Bau befindlichen Lasers European XFEL. Mit gerhard Samulat und Reinhard Breuer sprach er über die aussichten, die sich durch die umwandlung des Hamburger Beschleu- nigerzentrums in eine »Fabrik« für Synchrotronstrahlung eröffnen. Spektrum der Wissenschaft: Wir sitzen hier in dem deut rimentellen Teilchenphysik derzeit der Beschleuniger LHC, schen Forschungsinstitut für Teilchenphysik, und kaum je den das Forschungszentrum CERN bei Genf errichtet hat. mand redet noch über Quarks und Co. Wie kommt’s? Dosch: Die Forschung mit Synchrotronstrahlung ist beim Helmut Dosch: Nach wie vor ist das DESY eines der weltweit DESY seit den 1960er Jahren systematisch entwickelt und führenden Beschleunigerzentren. Wir nutzen die Maschinen ausgebaut worden. Spätestens seit Mitte der 1980er Jahre jetzt aber vorwiegend, um hochbrillante Röntgenstrahlung trafen sich Teilchen- und Photonenforschung hier auf Au- zu erzeugen. Anfänglich galt diese nur als genhöhe. Dies war, wenn Sie so wollen, Abfallprodukt, das beim Beschleuniger- das Resultat der visionären Weitsicht mei- betrieb anfällt. Doch wir experimentieren »Forschung mit ner Amtsvorgänger. damit bereits seit den 1960er Jahren; Synchrotronstrah- Heute ist die Forschung mit Synchro- schon damals war das DESY einer der Pio- lung ist unsere tronstrahlung und Röntgenlasern in der niere auf diesem Gebiet. Tat zur Zukunftsmission des Forschungs- Zukunftsmission« Was ist so interessant daran? zentrums geworden. Geräte wie den LHC, Dosch: Mit der so genannten Synchro- für den ganz Europa die Verantwortung tronstrahlung können wir vorzüglich die molekularen Struk- trägt, kann sich kein Land mehr allein leisten. Viele DESY- turen und Funktionen von Materie analysieren. Um etwa Forscher sind daher intensiv an den CERN-Experimenten be- den Wirkmechanismus von Medikamenten auf molekularer teiligt. Aber auch der XFEL ist ein europäisches Milliarden- Ebene zu verstehen, braucht es hochauflösende Bilder aus Euro-Projekt. dem Nanokosmos. Das funktioniert nur mit einer Lichtquel- In der Teilchenphysik arbeitet man vorzugsweise mit le, deren Wellenlänge vergleichbar ist mit den Abständen Kreisbeschleunigern. Hier beim DESY hatten Sie mit PETRA und zwischen den Atomen in einem Molekül. Röntgenlaser er- füllen diese Bedingung. Gibt es nicht bereits genug ähnliche Strahlungsquel Schenefeld Hamburg-Osdorf len? Viele Teilchenforschungszentren bauen ihre Beschleu Betriebsgelände Schenefeld niger ebenfalls nach und nach zu so genannten Photonen Betriebsgelände Osdorfer Born fabriken um. Zudem werden neue Instrumente in Betrieb 6 4 8 6 5 genommen. 9 5 5 Dosch: Das zeigt, wie gewaltig der Bedarf ist. Hier beim DESY 9 N sind die Experimentierplätze kontinuierlich ausgebucht. 0 500 Mete Höchstens die Hälfte der Wissenschaftler, die bei uns anfra- gen, bekommen die gewünschten Messzeiten, und alle durch- 8 6 6 5 5 5 4 15 Meter laufen zuvor ein strenges Gutachterverfahren. 13 Meter 6 Meter 11 Meter Verzweigungstunnel Mussten Sie sich nicht eher gezwungenermaßen der Experimentierhallen 8 Elektronenfalle Verzweigungsbauwerke 6 5 4 und Hauptgebäude Verzweigungsbauwerk Photonenphysik zuwenden? Schließlich dominiert in der expe Versorgungsgebäude 9 (Weiche für Verteilung der Elektronenpakete auf zwei Tunnel) 92 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 84. TECHNIKCoMPUTER Helmut Dosch ist von Haus aus Festkörperphysiker. Bevor er 2009 Vorsitzender des DESY- Direktoriums wurde, war er lange Zeit Direktor am Max- Planck-Institut für Metallfor- schung in Stuttgart. Seine Forschungsarbeiten unter an- derem über Strukturen der Materie im Nanometerbereich hatten ihn bereits an ver- schiedene europäische Teil- chenbeschleuniger geführt. INgo BoELtER HERA ebenfalls sehr erfolgreiche Maschinen dieses Typs. Wieso Wegen ihrer relativistischen Geschwindigkeit laufen die setzen Sie bei Röntgenlasern nun auf Linearbeschleuniger? Elektronen in den Undulatoren zudem mit ihrem eigenen Dosch: In einem Kreisbeschleuniger beeinflussen sich die Licht mit. Dessen elektrisches Feld wirkt auf die Ladungs- abgestrahlten Photonen und die beschleunigten Elektronen träger zurück. Dadurch entstehen in den Ladungswolken gegenseitig. Das ist für Teilchenphysiker kein Problem. Da Unterstrukturen, deren Abstände der Wellenlänge des kommt es im Wesentlichen auf die Energie der Teilchen an. Strahlungsfelds entsprechen. Die Elektronen laufen nach Synchrotronlicht verliert durch diesen Effekt jedoch an Bril- kurzer Zeit im Gleichtakt, und die von ihnen abgegebene lanz. Vor zehn oder mehr Jahren störte das die Experimenta- Strahlung überlagert sich kohärent – das ist die Bedingung toren noch nicht. Heute sind ihre Ansprüche gestiegen. für die Entstehung von Laserlicht. Diesen negativen Einfluss auf die Strahlung gibt es bei Li- Wieso baut das DESY eigentlich als einzige der großen nearbeschleunigern praktisch nicht. Mit ihnen kann man des- Forschungseinrichtungen Beschleuniger in supraleitender halb Licht sehr kleiner Wellenlänge und hoher Güte erzeugen. Technik? Kann es da nicht zu ähnlichen Unfällen kommen wie Der XFEL-Beschleuniger arbeitet zweistufig. Erst beschleunigt beim LHC? er die Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit. Wenn die Dosch: Mittlerweile ist die Supraleitung eine etablierte Teilchen dann hochrelativistische Energien besitzen – bei dem Technologie. Das Problem beim LHC war wohl eher ein hand- hier geplanten Röntgenlaser sind das über 17 Gigaelektron- werklicher Fehler eines Unterauftragnehmers. So etwas kann volt –, gelangen sie in bis zu 250 Meter lange Magnetstruk- bei uns aber schon deshalb nicht vorkommen, weil wir nicht turen. Diese Undulatoren sind Ketten von abwechselnd ange- mit so hohen Strömen arbeiten wie der LHC. ordneten Dipolen. Sie zwingen die Elektronen zu einer Art Obwohl die supraleitenden Komponenten etwas teurer Schlängelbewegung, so dass sie Strahlung aussenden. sind als die normalleitenden, nutzen wir sie unter anderem, weil sie im Betrieb weniger Energie vergeuden. Neuland ist DESY jedoch, dass wir für den XFEL nicht wie bei HERA oder dem Hamburg-Bahrenfeld LHC supraleitende Ablenkmagnete nutzen. Diese Magnete ing A-R Betriebsgelände spielen beim Linearbeschleuniger sowieso keine große Rolle. PETR DESY-Bahrenfeld Bei uns sind stattdessen die Beschleunigungseinheiten sup- 2 1 raleitend. Damit erreichen wir bei Hochspannungsfrequen- 3 zen von 1,3 Gigahertz Beschleunigungsspannungen von etwa DESY- Gelände 30 Milliarden Volt pro Meter. er 3 1 Die 3,4 Kilometer lange Anlage des Röntgenlasers erstreckt 24 Meter 27 Meter 38 Meter sich vom DESY-Gelände bis in die schleswig-holsteinische Beschleunigertunnel 1 Injektorbereich (Erzeugung und Vorbeschleunigung von Elektronenpaketen) Stadt Schenefeld. Die untere Grafik deutet den Verlauf des 2 Modulatorhalle (Hochspannung für Teilchenbeschleunigung) 3 Eingangsbauwerk Höhenprofils an. WWW.SPEKTRUM.DE 93
- 85. INgo BoELtER diagramm sehen, dann können Sie sagen: Das ist tot. Denn das Diagramm stellt ein Gleichgewicht dar. Nur was nicht im Gleichgewicht ist, lebt. Davon verstehen wir aber noch viel zu wenig. In der Zukunft werden wir beliebige Materialien mit sol- cher Raffinesse analysieren, wie uns dies heute nur mit kris- tallinen Proben gelingt. Ein Beispiel: Wir verstehen jedes De- tail von Eis; aber von Wasser verstehen wir nahezu nichts. Wir stehen praktisch vor der gleichen Herausforderung wie Max von Laue vor gut 100 Jahren, als er die ersten Beugungs- muster von Kristallen sah. Wir müssen jetzt versuchen, schneller zu »fotografieren«, als sich die Moleküle bewegen. Für die Dynamik von Substanzen ist eine Zeitskala um die 50 bis 100 Femtosekunden typisch, und das liegt im zeitli- chen Auflösungsvermögen der Röntgenlaser. DESY-Direktoriumsvorsitzender Helmut Dosch (Mitte) Wenn Sie mit harter Röntgenstrahlung auf empfind mit Reinhard Breuer (rechts) und Gerhard Samulat. liche Moleküle schießen, gehen die aber doch kaputt. Im Hintergrund: eine der Hallen des Freie-Elektronen- Dosch: Allein sie zu treffen, ist schon nicht trivial. Wenn das Lasers Flash, der bereits seit 2005 im Frequenzbereich Molekül dann aber tatsächlich von zehn Milliarden Photonen des weichen Röntgenlichts arbeitet gleichzeitig bombardiert wird, zerlegt es sich in der Tat. Das Spiel heißt, schneller zu fotografieren als zu zerstören. Unsere Vision lautet: Wir wollen mit einem einzigen Schuss eine Warum arbeiten Amerikaner und Japaner dann mit nor Strukturanalyse machen. Es gibt Versuche, die zeigen, dass malleitenden Beschleunigern? man das schafft, und ich glaube, wir stehen damit am Beginn Dosch: Die Freie-Elektronen-Laser sind eine noch sehr neue, einer neuen Ära. Mit dieser und weiteren Techniken können unerforschte Technologie. Die zukunftsträchtigste Bauweise wir dann im Prinzip einen Film einer molekularen oder kennen wir noch nicht. Die Japaner bauen beispielsweise al- chemischen Reaktion aufnehmen und genau schauen, wie les sehr kompakt, bei ihnen befindet sich die abläuft. Hierüber weiß man heute noch selbst der Undulator im Vakuum. Dadurch sehr wenig. Wenn Sie zum Beispiel Wasser- sind sie aber weniger flexibel, wenn sie et- »wir wollen die stoff und Sauerstoff miteinander reagieren was umbauen müssen. Stanford nutzt dage- struktur von Mo- lassen, dann macht es einen Knall und Sie gen die normale Technik, weil der Beschleu- lekülen mit einem haben Wasser. Aber kein Mensch kann sa- niger schon zuvor existierte. In Berkeley, gen, was in der Zwischenzeit passiert. Das ebenfalls in Kalifornien, wollen die Ameri- einzigen Schuss Gleiche gilt bei Festkörperreaktionen oder kaner nun aber eine Art Valley of Light – ein analysieren« Phasenübergängen. Schon durch simples Tal des Lichts – etablieren. Dort soll ein Freie- Abkühlen verlassen Sie das bekannte Pha- Elektronen-Laser für weiche Röntgenstrahlung errichtet wer- sendiagramm. Was da genau passiert, wissen wir nicht! Die den, der ebenfalls über supraleitende Bauteile verfügt. Industrie kommt schon jetzt auf uns zu und will wissen, wie Ein entscheidender Vorteil der supraleitenden Technik die atomaren Prozesse im Zusammenhang mit Medikamen- ist zumindest, dass wir extrem viele Röntgenblitze in kur- ten oder Katalysatoren ablaufen. Denn nur dann kann sie zer Zeit erzeugen können. Das ist etwa dann wichtig, wenn ihre Materialien verbessern. Doch chemische Reaktionen Sie Reaktionen in wässrigen Lösungen verfolgen wollen. sind viel komplizierter, als wir das selbst an den Hochschu- Wenn Sie nur jede hundertstel Sekunde einen Impuls be- len lehren. kommen – wie in Stanford oder Japan – statt nahezu 30 000 Stört es Sie nicht, dass die Beschleuniger quasi zu Hilfs pro Sekunde wie beim European XFEL, dann dauern die Ex- geräten verkommen und andere den Ruhm ernten? perimente entsprechend länger. Daher wage ich zu prog- Dosch: Synchrotronstrahlungsquellen waren schon immer nostizieren, dass wir hier in Hamburg mit unserer supralei- Werkzeuge. Aber wir können mit ihnen wichtige wissen- tenden Technik garantiert einige Früchte ernten werden, an schaftliche Fragestellungen rund um neue Energien, Medi- die andere nicht so schnell oder gar nicht herankommen. kamente und anderes bearbeiten. Das ist die Aufgabe, die ein Wie könnte ein solcher »Obstkorb« denn aussehen? Labor wie das DESY erfüllen muss. Diesen gesellschaftlichen Dosch: Nachdem wir im letzten Jahrhundert ausschließlich Auftrag nehmen wir gerne an. Ÿ Kristalle oder Phasendiagramme im Gleichgewicht analysie- ren konnten, wollen wir nun die komplexe Welt der Unord- Die Fragen stellten Reinhard Breuer von »Spektrum der Wissen- nung erschließen, die Welt der Ungleichgewichte, also die le- schaft« und Gerhard Samulat, freier Journalist für Wissenschaft bende Welt. Wenn Sie beispielsweise etwas in einem Phasen- und Technik aus Wiesbaden. 94 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 86. Stephen Hawking, LeonardMlodinow Der große Entwurf Eine neue Erklärung des Universums Aus dem Englischen von Hainer Kober. Rowohlt, Reinbek 2010. 190 S., € 24,95 theoretischephysik Stephen Hawking geht aufs Ganze ungeduldignimmterdietheorievonAllemvorweg. N iemand verkörpert die theoreti sche Physik so sinnfällig wie Ste phen Hawking. Obwohl sein Leib durch Theorie ist diese »neue Erklärung des Universums« mehr als lückenhaft. Die für Kosmologen peinliche Tatsache, dass eine unheilbar fortschreitende Krank das Universum zu 95 Prozent aus unbe Annähernd kreisförmige Bahnen eines heit zu fast völliger Bewegungslosigkeit kannter – »Dunkler« – Materie und Ener Planeten um seine Sonne sind lebenszu- verurteilt ist, bleibt sein Geist unermüd gie besteht, erwähnt Hawking mit kei träglich; in einer Achter-Bahn um ein lich regsam. Mit den Pupillen steuert er nem Wort. Doppelsternsystem (oben) oder einer stark einen Sprachcomputer, dessen Auto Auch verschweigt er ein fundamen elliptischen Bahn (unten) schwankt die matenstimme stets originelle und oft tales Problem der Grundlagenphysik: Temperatur zu stark. witzige Sätze zu Grenzfragen der mo Die von ihm favorisierte Stringtheorie dernen Physik äußert. Hawkings bahn wird zwar möglicherweise die Große brechende Beiträge zur Theorie Schwar Vereinigung der Teilchenphysik zu In Hawkings gelähmtem Körper steckt zer Löcher garantieren ihm einen Platz Wege bringen, indem alle Partikel als offenbar ein heroischer Optimist, der im Pantheon der Physik neben Isaac Schwingungen winziger Saiten (strings) das halb leere Glas der Theorie lieber als Newton und Albert Einstein. Und oben erscheinen, aber damit ist die Theorie halb voll betrachtet. Aus dem Stückwerk drein hat er mit »Eine kurze Geschichte von Allem kein Stück näher gerückt. unseres Wissens – mit dem er sich unter der Zeit« 1988 das wohl erfolgreichste Denn dafür müsste auch die Gravitati der Bezeichnung »modellabhängiger populärwissenschaftliche Buch seit on eingebaut werden; doch deren Theo Realismus« abfindet – entwirft er die Menschengedenken verfasst. rie – Einsteins allgemeine Relativitäts grandiose Vision eines Multiversums Schon damals behauptete Hawking, theorie – sträubt sich hartnäckig gegen ohne Anfang und Ende, in dem unser die endgültige Theorie von Allem stehe eine Formulierung, bei der sich Gravita Kosmos nur als einer unter unendlich kurz bevor. Es sei nur eine Frage weni tionsquanten in einem festen mehrdi vielen figuriert. In dieser Vision hat kein ger Jahre oder Jahrzehnte, bis die Verei mensionalen Raumzeitgerüst bewegen, Gott etwas verloren, und der Tod ist nur nigung sämtlicher Naturkräfte in Ge wie das die Stringtheorie vorsieht. Viel ein unscheinbarer Übergang. stalt eines mathematischen Formel mehr krümmt die Materie die Raum Ähnlich faszinierende Entwürfe ha gebäudes gelingen würde. In seinem zeit, die ihrerseits die Bewegungen der ben mich seinerzeit als Schüler für die neuen Buch skizziert der Theoretiker Materie bestimmt; in den Stringtheo Physik begeistert. Auch sie malten das nun die Umrisse dieser universellen rien gibt es nichts dergleichen. Ziel der umfassenden Welterklärung aus, Welterklärung. Dabei erweckt er den Zwar existiert – wiederum nur in Um als liege es zum Greifen nah. In der Rea Eindruck, das Gebäude sei so gut wie rissen – ein mit der Stringtheorie kon lität jedoch erstreckt sich vor dem For fertig und an der Skizzenhaftigkeit sei kurrierender Ansatz, der die Theorie von scher an Stelle eines fast fertigen Gebäu ner Darstellung sei nur die Schwierig Allem über eine Quantentheorie der re des die unübersichtliche Baustelle einer keit schuld, mathematische Konzepte lativistischen Raumzeit anstrebt, doch gewaltigen Stadt, an der unzählige Wis umgangssprachlich zu umschreiben. diese »SchleifenQuantengraviation« ist sensarbeiter emsig werken – und diese Hawking unterschlägt freilich, dass mathematisch ungeheuer schwer zu Arbeit wird so bald kein Ende finden. der »große Entwurf« bis auf Weiteres bändigen, vor allem wenn man versucht, pure Theorie bleibt, das heißt eine Um Teilchen und Felder darin zu beschrei Michael Springer risszeichnung ohne empirisch gesicher ben. Über diese Alternative zur String Der Rezensent ist Physiker und ständiger tes Fundament. Und sogar als reine theorie schweigt Hawking sich aus. Mitarbeiter von »Spektrum der Wissenschaft«. www.spektrum.de 95
- 87. rezensionen Sam Kean Die Ordnung der Dinge. Im Reich der Elemente Deutsch von Stephan Gebauer. Hoffmann und Campe, Hamburg 2011. 448 S., € 22,– Chemie gilt vielen als schwierig und langweilig. Tatsächlich muss man sich wohl in keinem anderen Fach für ein tieferes Verständnis so viel Wissen aneignen. Populäre Chemiebücher stürzen sich daher vor allem auf die Anwendungen und kratzen allenfalls an der Oberfläche der Wissenschaft dahinter. Dieses Buch ist eine rühmliche Ausnahme. Der US-Journalist und studierte Physiker Sam Kean han- gelt sich an den chemischen Elementen entlang und macht sie zum Gegenstand unterhaltsamer Ge- schichten. Dabei präsentiert er eine Menge Stoff und geht auch in die Tiefe – etwa beim Konzept der Lewis-Säuren und -Basen. Am Ende hat der Leser trotz kleinerer sachlicher Fehler eine gute Vorstel- lung von dem Fach und ahnt etwas von seiner Faszination, auch wenn es wegen der selektiven und unsystematischen Darstellung nicht für ein wirkliches Verständnis reicht. GErhArD TrAGESEr Mick O’Hare (Hg.) Wie man einen Wirbelsturm auslöst und andere überraschende Erkenntnisse aus der wunderbaren Welt der Wissenschaft Aus dem Englischen von Birgit Brandau. Fischer Taschenbuch, Frankfurt am Main 2011. 267 S., € 8,95 Mick O’hare, redakteur beim »New Scientist«, präsentiert ein Sammelsurium skurriler Forschung, über die seine Zeitschrift in den letzten 60 Jahren berichtete. Die kurzen, humorvollen Texte erzählen von Chirurgen, die unter wahrem Körpereinsatz neue Narkosemittel an sich selbst testeten, und von vergessenen Bierflaschen, die in einem großen Teilchenbeschleuniger den Elektronenstrom blo- ckierten. Andere Anekdoten stimmen den Leser eher nachdenklich, etwa wenn Forscher in den 1950er Jahren euphorisch über Versuche berichten, die Kernenergie für Eisenbahn, raumschiffe und sogar Armbanduhren nutzbar zu machen. Insgesamt eine leichte und unterhaltsame Lektüre, bestens ge- eignet für den Strand oder das Gäste-WC. BArBArA WOLFArT Christopher Chabris, Daniel Simons Der unsichtbare Gorilla. Wie unser Gehirn sich täuschen lässt Aus dem Amerikanischen von Dagmar Mallett. Piper, München 2011. 396 S., € 19,95 Das Video eines Basketballspiels (www.youtube.com/watch?v=vJG698U2Mvo ) ist weltberühmt ge- worden: Der Zuschauer wird gebeten, die Pässe zu zählen – und bemerkt nicht, dass ein Mensch im Gorillakostüm prominent durch die Szene läuft! hier liefern die Autoren des Experiments die wissen- schaftlichen hintergründe. Niemand muss sich der »Aufmerksamkeitsblindheit« schämen; sie trifft Männer wie Frauen, Junge wie Alte, Kluge wie Dumme, Wache wie Verträumte in ungefähr gleichem Maß. Man kann sie sich auch nicht abtrainieren, sondern allenfalls Situationen vermeiden, in denen sie gefährlich werden kann. Beispiel: Telefoniere nie beim Autofahren, auch nicht mit Freisprechanla- ge! Schlimmer als die Blindheit selbst ist unsere feste Überzeugung, »so etwas hätte einem doch auf- fallen müssen«. Diese Fehleinschätzung hat schon manchen Unschuldigen ins Gefängnis gebracht, wie Chabris und Simons an einigen spektakulären Fällen darlegen. ChrISTOPh PöPPE Reinhard Zellner und Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) (Hg.) Chemie über den Wolken … und darunter Chemie Chemie Wiley-VCH, Weinheim 2011. 237 S., € 29,90 über den Wolken über den Wolken ... und darunter ... und darunter reinhard Zellner, Altmeister der Atmosphärenchemie, hat gemeinsam mit der GDCh und pünktlich zum Jahr der Chemie ein 2007 erschienenes Themenheft der Zeitschrift »Chemie in unserer Zeit« Herausgegeben von Reinhard Zellner und der Gesellschaft Deutscher Chemiker zum vorliegenden Buch erweitert. Nun geht es auch um die Chemie »unter den Wolken«, natürliche Vorkommen und Abbauwege klimarelevanter Substanzen sowie Lösungsansätze für aktuelle Pro- bleme. So befasst sich eines von elf Kapiteln mit dem Treibhausgas Methan: von der natürlichen Ent- stehung über die Gewinnung als Erdgas und die Speicherung in Form von Methanhydrat bis zur Fül- le der Syntheseprodukte. Aufbau und Themenspektrum sind wohldurchdacht; aber die Vielzahl an Autoren macht das Buch zu einer sehr inhomogenen Ansammlung von Einzeltexten, denen teilwei- se sogar der Bezug zur Atmosphärenchemie fehlt. Insgesamt ein guter Überblick mit stellenweise großem Tiefgang – der den Laien gelegentlich zu überfordern droht. JANINA FISChEr 96 spektrumderwisseNschAFt·August2011
- 88. te, Geozentrismus, Wunderglaube,See Gerhard Schurz lenlehre – sind wissenschaftlich im Evolution in Natur und Kultur mer wieder widerlegt, ihre Werte und Eine Einführung Handlungen – Missionsbefehl, Keusch in die verallgemeinerte Evolutionstheorie heitsgebot, Minderwertigkeit der Frau, Spektrum Akademischer Verlag, Hexenverbrennungen, Teufelsaustrei Heidelberg 2011. 436 S., € 39,95 bungen – als inhuman erkannt worden. Nur hat darunter zwar die Autorität der kodifizierten religiösen Weltbilder ge philosophie litten; aber das religiöse Bedürfnis der Menschen ist selbst im gegenwärtigen Darwin durch die HightechZeitalter ungebrochen. Die Hartnäckigkeit, mit der sich reli philosophische Brille betrachtet giöse Überzeugungen in allen Kulturen der Welt halten, deutet auf eine gene tische Grundlage hin. Wäre Religion diedenkfigurenderevolutionstheorielassensichweitüberihrursprüng- nur ein Mem im Sinn von Dawkins, so lichesgebiethinausanwenden–biszueinerwiderlegungdesmarxismus. hätte sie in gewissen Kulturen auch aussterben müssen und dort nicht D ieses Buch führt zwar die Evolu tion im Titel, aber es berichtet nicht über Stammbäume und Fossilien. ausweichliche Vorstellung von einem Schöpfer und Planer unser Denken so lange beherrscht? Im Gegensatz dazu spontan wieder entstehen dürfen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die genetische Verankerung erfor Vielmehr geht der Düsseldorfer Philo hatten andere große Errungenschaften dert einen Selektionsvorteil, und die soph Gerhard Schurz den gedanklichen der Neuzeit wie die Abkehr vom geo sen sieht Schurz in einem »verallge Hintergründen der Evolutionstheorie zentrischen Weltbild, die Atomtheorie meinerten Placeboeffekt des Glau nach. oder die Relativität von Raum und Zeit bens«: Wenn ein Mensch zum Beispiel Muss ein Biologe sich überhaupt mit antike Vorläufer. glaubt, dass ihn bald eine geliebte Per solch philosophischen Fragen befas son besuchen wird, so macht ihn dieser sen? Aber ja! Und sei es nur, um für die Der Placeboeffekt des Glaubens Glaube froh und glücklich, unabhängig Diskussion mit Kreationisten gewapp In den beiden ersten großen Teilen erar davon, ob diese Person dann auch wirk net zu sein. Mutationen sind zufällig, beitet Schurz biologische Fakten sowie lich kommt. Bereits durch diesen See die Selektion dagegen gibt Richtungen die wissenschaftstheoretischen Grund lenzustand kommt er besser durchs vor – so weit das Standardwissen. Aber lagen der Evolutionstheorie. Teil III be Leben und hat tendenziell mehr Nach was entgegnen Sie dem Kreationisten, handelt die Parallelen zwischen der bio kommen als sein weniger leichtgläubi der behauptet, diese Richtungsvorga logischen und der kulturellen Evoluti ger Zeitgenosse – so muss man Schur ben seien ein teleologisches Prinzip in on, für die der britische Zoologe Richard zens Gedankengang ergänzen. der Natur? Dawkins 1976 in seinem Buch »Das ego Insbesondere seien die evolutionär Darwins Evolutionstheorie erklärt istische Gen« den Begriff »Mem« in erfolgreichsten Erkenntnisformen nicht eben nicht nur die Entstehung der Ar Analogie zu »Gen« geprägt hat. Teil IV notwendig diejenigen, welche die Reali ten, sondern stellt auch einen Paradig zeigt, dass zahlreiche evolutionstheo tät am getreuesten wiedergeben. Damit menwechsel dar, der weit ins Weltan retische Erkenntnisse den mathema wendet sich Schurz auch gegen die evo schauliche hineinwirkt. Mit den drei tischen, computergestützten Modellen lutionäre Erkenntnistheorie, die einen Eckpfeilern Vermehrung (Reduplikati der Populationsdynamik zu verdanken systematischen Zusammenhang zwi on), Veränderung (Mutation) und Selek sind. Durch rein intuitive Überlegungen schen Wahrheit und evolutionärem Er tion vollzieht sie eine Abkehr von be hätten sie sich nicht eingestellt. folg behauptet. stimmten Denkstrukturen, welche die Der fünfte und letzte Teil geht auf Über die Religionen hinaus, so Philosophie und Naturwissenschaft Probleme ein, die uns im Alltagsleben Schurz, sei das darwinistische Weltbild seit der Antike geleitet haben. Warum berühren: die Evolution von Moral und ein Affront gegen jede Weltanschau hatten die griechischen Naturphiloso Religion. Als wissenschaftliche Theorie, ung, die eine der Natur immanente Ori phen noch nicht diese Vorstellung von die nur gelten lässt, was man überprü entierung zur Höherentwicklung pos der Selbstorganisation komplexer Sys fen kann, ist die Evolutionstheorie der tuliert. Das betrifft vor allem den dia teme? Warum ist Derartiges selbst den geborene Gegner jeder Religion und hat lektischen Idealismus von Johann neuzeitlichen Rationalisten wie Des gute Argumente auf ihrer Seite. Die Gottlieb Fichte und Georg Wilhelm cartes und Leibniz nicht in den Sinn ge Weltbilder insbesondere der christ Friedrich Hegel sowie den dialektischen kommen? Warum hat die scheinbar un lichen Religion – Schöpfungsgeschich Materialismus von Karl Marx und www.spektrum.de 97
- 89. rezensionen Friedrich Engels. Damitscheint die letz lassen, weshalb es sich bei der jungen ter als einen unendlichen Regress und te Möglichkeit gefallen zu sein, aus wis Generation besonderer Beliebtheit er sind insofern nicht besser und nicht senschaftlichen Tatsachenerkenntnis freut, nach dem Argumentationsmus schlechter als die Religionen, denen sen eine Sinn stiftende Weltanschau ter: Hätten nur genügend Menschen Dawkins genau das zum Vorwurf macht. ung herauszulesen. sich rechtzeitig von der richtigen Ge Das am meisten biologisch orien Schließlich sei die Evolutionstheorie sinnung leiten lassen, dann wären die tierte Kapitel I/2 enthält Schwächen. mit dem modernen Anthropozentris aktuellen Fortschritte schon weit frü Schurz stellt die Beispiele für die Evolu mus unvereinbar, wonach der Mensch her erreicht worden. Aber Evolutions tion der Organismen zu zusammen als Gipfel der Evolution beliebig über prozesse lassen sich nicht durch bloßen hanglos und ohne hinreichenden Be die Natur regieren oder sich völlig von Gesinnungswandel ändern, und selbst zug zum Gesamtanliegen seines Werks Naturzwängen befreien könne. Das wenn sie es tun, dann meist nicht so dar. Außerdem klammert er sich zu stellt auch das handlungszentrierte wie beabsichtigt, wie sich bei Umwäl sehr an eine einzige Quelle (nämlich Machbarkeitsdenken der politischen zungen von der Französischen Revolu »Evolution« von Mark Ridley). Linken insgesamt in Frage. Dieses deu tion bis hin zur Studentenbewegung Diese Einzelkritik soll den Gesamt tet die kulturelle Evolution als die Ge der 1960er Jahre gezeigt hat. eindruck nicht schmälern: Wer nach schichte von machtvollen Herrschern Schurz setzt sich auch mit dem Sinn denken will und sich nur dem »zwang oder Gruppen und schreibt die Übel der Suche nach den »Letzttatsachen« losen Zwang« des besseren Arguments dieser Welt dem planmäßigen Wirken auseinander: Was war vor dem Urknall? beugt, der wird von dem Buch be irgendwelcher Bösewichte oder Aus Woher kommt es, dass die Naturkon geistert sein. beuter zu, die man nur politisch beseiti stanten so fein aufeinander abgestimmt gen müsste, um die Probleme zu lösen. sind? Aber dazu kann die Evolutionsthe Werner Kunz Allgemein hat das anthropozen orie nichts beitragen. Und irgendwelche Der Rezensent ist Professor für Biologie an der trische Machbarkeitsparadigma die Ei »Letzterklärungen«, die beispielsweise Universität Düsseldorf. Er veranstaltet genart, die älteren Generationen regel den unerklärten Urknall auf Ereignisse zusammen mit Dozenten der Philosophie mäßig ziemlich dumm aussehen zu davor zurückführen, schaffen nichts wei interdisziplinäre Seminare. David P. Barash, Judith Eve Lipton bergen aber ihren Eisprung, so dass – Wie die Frauen zu ihren Kurven kamen ohne Hilfsmittel – keiner so recht zu sa Die rätselhafte Evolutionsbiologie des Weiblichen gen vermag, wann frau empfängnisbe Aus dem Amerikanischen von Andrea reit ist. Irgendwann kommen wir in die Kamphuis. Spektrum Akademischer Verlag, Menopause, während andere Säugetier Heidelberg 2010. 323 S., € 24,95 weibchen bis ins hohe Alter Nachwuchs produzieren. Ach ja, und dann erleben Menschenfrauen (zumindest viele von ihnen) ein Vergnügen, das bei Weibchen evolutioNsbiologie anderer Spezies höchst selten zu finden ist und anders als sein männliches Ge Von Kurven, Orgasmen genstück nicht mit einem offensicht lichen Transportzweck verknüpft ist: und anderen Merkwürdigkeiten den Orgasmus. Gleich zu Anfang muss sich der Le »cherchezlafemme«habensichzweiwissenschaftlervorgenommen– ser durch 50 Seiten Betrachtungen zur Menstruation kämpfen. Vielleicht wol undmüssenallerleirätseldesweiblichenungelöstlassen. len die Autoren mit dieser »Schockthe rapie« gegen die verbreitete Neigung F rauen sind rätselhafte Wesen – die ser Behauptung würde so mancher Mann ohne Zögern zustimmen. Aber rash gemeinsam mit Judith Eve Lipton, Psychiaterin mit Schwerpunkt Frauen gesundheit. angehen, die Monatsblutung »in aller Form zu ignorieren oder sie als etwas Lästiges zu erachten, das man am bes die Ursache dafür ist vielleicht nicht Die Weibchen von Homo sapiens un ten nicht anspricht«. Schließlich sei sie vorrangig im natürlichen Unverstand terscheiden sich in vielem von denen »ein wichtiger Bestandteil des Daseins des männlichen Geschlechts zu finden, anderer Säugetierarten: Sie haben volle jeder normalen, gesunden Frau«. Das sondern in der Evolutionsbiologie – Brüste selbst dann, wenn es keine Babys mag stimmen, aber welche Frau (und sagt der Evolutionsbiologe David P. Ba zu versorgen gilt. Sie menstruieren, ver welcher Mann) mag sich schon gerne 98 spektrumderwisseNschAFt·August2011
- 90. mit diesem Themaauseinandersetzen, die Empfängnisbereitschaft nicht schon also auch reproduktionsbiologisch be wo es doch allzu oft mit Schmerz und von Weitem anzusehen ist, machen trachtet lohnte? Oder galt es eher, die anderen Unpässlichkeiten einhergeht? durch ihr Verhalten unmissverständ Konkurrentinnen im Unklaren darüber Und um den zahlreichen Spekulati lich klar, was sie von ihren männlichen zu lassen, ob frau ihre »gefährlichen onen noch eine eigene hinzuzufügen: Artgenossen erwarten. Tage« hat, um so ganz klammheimlich Vielleicht ist die ganze Heimlichtuerei Aber auch bei uns geht der Eisprung und ungestört zum Erfolg zu kommen? ja nur eine weitere Strategie, um den mit Veränderungen einher, selbst wenn Vielleicht half der verborgene Eisprung Zeitpunkt des Eisprungs noch besser zu wir sie nicht bewusst wahrnehmen. So aber auch, die Spuren von Seitensprün verbergen, selbst vor Zeitgenossen, die beurteilen Männer Bilder von Frauen gen zu verbergen: Wenn er nicht weiß, des Rechnens mächtig sind? als attraktiver, wenn diese gerade emp wann genau sie empfängnisbereit ist, fängnisbereit sind. Stripperinnen be kann er auch nicht nachrechnen, ob sie Täuschung oder Selbsttäuschung? kommen an ihren fruchtbaren Tagen seinen Nachwuchs oder ein Kuckucks Dagegen haben die Autoren zu dem – mehr Trinkgeld als sonst. Umgekehrt kind unterm Herzen trägt. Schließlich wirklich spannenden – Thema »verbor scheinen sich die Damen zur Zeit ihrer führt das Autorenduo noch eine selt gene Ovulation« wissenschaftlich Fun Empfängnisbereitschaft bevorzugt auf sam klingende, aber vielleicht doch zu diertes zu bieten. Dass der Eisprung bei besonders männlich wirkende Herren treffende Erklärung an: Könnte es sein, Menschenweibchen so still, heimlich zu stürzen – wohl weil von ihnen der dass die Ovulation im Verborgenen ab und von ihnen selbst praktisch unbe beste Nachwuchs zu erwarten ist. läuft, um die empfängnisbereite Frau merkt abläuft, ist tatsächlich eine Aber all diese Signale sind mehr als selbst zu täuschen, die vielleicht lieber Besonderheit unserer Spezies. Schim subtil, und so bleibt die Frage: Wozu eine Schwangerschaft und damit auch pansendamen tun ihre Empfängnisbe dient die ganze Geheimniskrämerei? die Schmerzen und Gefahren der Nie reitschaft unübersehbar durch dick an Konnten unsere weiblichen Vorfahren derkunft vermeiden würde? geschwollene, rosarote Genitalien kund. etwa Männer an sich binden, indem sie In dieser Art gehen die amerika Die Weibchen anderer Primatenarten, ihnen verheimlichten, ob sie gerade nischen Autoren die vielfältigen Rätsel etwa Gorillas oder OrangUtans, denen empfängnisbereit waren, sich der Sex des Weiblichen Schritt für Schritt durch.
- 91. rezensionen Sind volle Brüsteeher ein Signal an die Schwangerschaft, oder zwingt sie die äl Alle rezensierten Bücher können Sie in Männer, das wohlgenährten Nachwuchs teren Damen, zu Gunsten junger Frauen unserem Science-Shop bestellen verspricht, oder doch eher eine Art Vor zurückzutreten? direkt bei: www.science-shop.de ratsspeicher für schlechte Zeiten? Dient In jedem Kapitel fassen Barash und per E-Mail: shop@wissenschaft-online.de telefonisch: 06221 9126-841 der weibliche Orgasmus eher als An Lipton die erörterten Hypothesen in per Fax: 06221 9126-869 sporn für Frauen, sich auf den Paarungs einem kurzen Kasten zusammen. Das akt einzulassen, oder verbessert er vor hilft, den Überblick über die vielfältigen rangig die Befruchtungschancen, indem Theorien zu behalten, der bei den etwas erforscht. Und das ist gut so – erlaubt er die Spermien in die Gebärmutter ge ausschweifenden und umständlichen es uns Frauen doch weiterhin, ein biss leitet? Und ist die Menopause mögli Erklärungen gelegentlich verloren geht. chen geheimnisvoll zu bleiben. cherweise einfach eine Begleiterschei Am Ende bleiben uns die Autoren nung einer drastisch verlängerten Le eine Lösung des Rätsels Frau schuldig. Stefanie Reinberger bensspanne? Schützt sie Mutter und Schließlich sei das Phänomen »weib Die Rezensentin ist promovierte Biologin und Nachwuchs vor den Risiken einer späten licher Körper« noch nicht erschöpfend freie Wissenschaftsjournalistin in Köln. Daniel Lingenhöhl Millionen dieser Zugvögel werden be Vogelwelt im Wandel reits innerhalb des EUGebiets – insbe Trends und Perspektiven sondere in Spanien, Frankreich und Ita Wiley-VCH, Weinheim 2010. lien – Opfer der Jagdleidenschaft. Noch 282 S., € 24,90, Taschenbuchausgabe € 14,90 größer ist der Blutzoll auf dem Balkan und im Nahen Osten. In Frankreich landen – trotz offizi ellen Fangverbots – jede Saison mindes tens 65 000 Ortolane (Emberiza hortu- Zoologie lana) auf den Tellern der Gourmets; in Unterfranken ist der Bestand dieser Hoffnung für die Vögel Ammernvögel binnen 20 Jahren um mehr als 70 Prozent gesunken. Aber auch Deutschland bietet Anlass zur Em esgibtdurchausmöglichkeiten,denbislangungebrochenentrend pörung: In der Jagdsaison 2007/2008 zurAusrottungdereuropäischenvogelweltnochzustoppenoder erlegten heimische Waidmänner mehr garumzukehren. als 18000 Waldschnepfen (Scolopax rusticola), obwohl diese Spezies auf der V on den rund 260 heimischen Vo gelspezies werden 110 auf der Ro ten Liste der bedrohten Arten geführt, wegen der Vielzahl vorgestellter Vogel schutzmaßnahmen, die vergleichswei se wenig kosten und dennoch viel be Roten Liste steht. Vielerorts sind die beharrlichen Kam pagnen der Vogelschützer jedoch von 30 stehen unmittelbar vor dem Aus wirken, lohnt die Lektüre. Erfolg gekrönt und sorgen für eine bes sterben. Bei solcher Ausgangslage hätte Ursächlich für den drohenden Arten sere Umsetzung der EUVogelschutz Daniel Lingenhöhl durchaus ein Unter schwund ist der Verlust an naturbe richtlinie: So wurde auf Malta – wohl gangsszenario entwerfen können. Doch lassenen Lebensräumen. Vor allem die der Wissenschaftsjournalist und pas fortschreitende Industrialisierung der sionierte Ornithologe zieht lieber eine Landwirtschaft schadet der heimischen differenzierte Bilanz der aktuellen Ent Vogelwelt. Hinzu kommen die Jagd, das wicklung, um zu einem Wandel in un ausgreifende Freizeitverhalten sowie serem Verhalten zu ermutigen. zunehmend auch die Veränderungen In neun reichhaltig bebilderten und durch den Klimawandel. mit jeweils eigenen Literaturverzeich Dass Vogel und Naturschützer nicht nissen versehenen Kapiteln werden alle nur lokale, sondern auch globale He für den Vogelschutz relevanten The rausforderungen zu bewältigen haben, men erörtert. Lingenhöhls umfassende ergibt sich schon aus der Tatsache, dass und allgemein verständliche Darstel allein aus Europa und Sibirien jeden lung bietet neben detaillierten Pro Winter mehr als 200 Vogelarten mit blembeschreibungen stets auch kon rund fünf Milliarden Individuen west Trotz eines dramatischen Comebacks ist krete Lösungsvorschläge. Allein schon und südwärts ziehen. Mindestens 200 die Zukunft des Uhus noch nicht gesichert. 100 spektrumderwisseNschAFt·August2011
- 92. den Rhythmus derNatur durcheinan später waren dort dreimal so viele Feld der, verschiebt Verbreitungsgebiete lerchen zu finden. und verändert das Zugverhalten. Kurz Obwohl sich in den letzten 30 Jahren und Mittelstreckenzieher wie Hausrot die Lage der heimischen Vogelwelt ins schwanz (Phoenicurus ochruros), Star gesamt dramatisch verschlechtert hat, (Sturnus vulgaris) und Stieglitz (Cardu- gibt es beachtliche Erfolge zu vermel elis carduelis) passen sich an, indem im den. So konnten sich Waldvogelbestän mer mehr Individuen bei milder Win de erholen, etwa durch den Erhalt tot terwitterung auf den Zug ans Mittel holzreicher Bestände, die Ausweisung meer verzichten. zusätzlicher Schutzzonen sowie die Um Eine andere Anpassungsstrategie be wandlung von Monokulturen in Misch steht darin, früher aus den Überwinte wälder. Früher galt der Feldsperling als Landplage; rungsgebieten heimzukehren und ent Naturschutz bringt also etwas. Manch heute steht er auf der Roten Liste. sprechend früher zu brüten. Denn in düsterer Prognose zum Trotz nahmen folge des Klimawandels verlagert sich in den vergangenen beiden Jahrzehnten das massenhafte Auftreten vieler Rau in Deutschland Weiß und Schwarz erstmals seit der Zeit der Ritter – inzwi penarten nach vorne. Nur wenn die Vö storch (Ciconia ciconia und Ciconia schen die Frühjahrsjagd verboten. Slo gel diesem Trend folgen, haben sie eine nigra), Fischadler (Pandion haliaetus), wenien stellte die Bejagung der Zugvö Chance, das Nahrungsmaximum noch Blaukehlchen (Luscinia svecica), Eis gel völlig ein; in Belgien ist der Fang von zur Aufzucht ihrer Jungen zu nutzen. vogel (Alcedo atthis), Uhu (Bubo bubo) Singvögeln nunmehr endgültig verbo Im Vergleich zu 1960 haben bereits und Kolkrabe (Corvus corax) in ihren ten. Und die Niederlande haben die Jagd 24 Arten ihre Ankunft vorverlegt – im Beständen zu. Diese Arten stehen ent auf Gänse, die als Gäste aus der Arktis Schnitt um 8,6 Tage. Feldlerchen (Alau- weder nicht mehr auf der Roten Liste im Wattenmeer überwintern, zumin da arvensis) kehren sogar einen ganzen oder sind kurz davor, wieder heraus dest eingeschränkt. Monat früher ins Brutgebiet zurück, genommen zu werden. Erreicht wurde Nicht nur der Mensch geht auf Vo Mehl und Rauchschwalben (Delichon dies durch konsequente Schutzmaß geljagd: In Großbritannien beispiels urbicum und Hirundo rustica) immer nahmen, teilweise in enger Zusammen weise gibt es rund neun Millionen hin zwei Wochen. Zusätzlich lassen sich arbeit mit Jägern, Anglern, Freizeit Hauskatzen, in deren Fängen jährlich die Weibchen immer weniger Zeit, sich sportlern und Landwirten. zwischen 100 bis 275 Millionen Vögel von den Strapazen des Zugs zu erholen, Auch für den Naturschutz gilt: Zu verenden. Ein Glöckchen um den Hals beeilen sich mit dem Eierlegen und stimmung erhält nur, wer stimmig ar der Stubentiger, so eine Studie der Uni bringen entsprechend schwächeren gumentiert. Lingenhöhls überzeugende versity of Glasgow, würde bereits genü Nachwuchs hervor. Darstellung bietet nicht nur wertvolle gen, um die Opferzahlen zu halbieren. Manchen Vögeln misslingt die An Hilfen zur Argumentation, sondern In Deutschland schießt man weniger passung an den vorverlegten Zeitplan auch zum Handeln. auf Vögel, und die Katzendichte ist deut ihrer Nahrungsquelle. Durch diese De lich geringer als anderswo. Aber dafür synchronisation sind manche Popula Reinhard Lassek werden hier zu Lande naturnahe Le tionen der Trauerschnäpper (Ficedula Der Rezensent ist promovierter Biologe und bensräume geradezu systematisch zer hypoleuca) zusammengebrochen – Be arbeitet als freier Journalist in Celle. stört. Das »Schweigen der Felder« ist vor standsrückgang bis zu 90 Prozent. allem eine Folge der industriellen Land Auch ohne Klimawandel bilden Feld wirtschaft. Chlororganische Gifte wie vogelarten die am stärksten bedrohten DDT sind zwar erfreulicherweise inzwi Artengruppe. Sie sind die eigentlichen schen verboten, doch auch die neuen Modernisierungsverlierer. Dabei ist es Chemikalien sind fatal. Sie vergiften oftmals recht einfach, bedrängten Bo nicht mehr die Vögel selbst, sondern denbrütern zu helfen, etwa durch Anle vernichten ihre Nahrungsgrundlage. gen von »Feldlerchenfenster« – klei 2007 waren in Deutschland 660 ver neren Flurstücken, die inmitten großer schiedene so genannte Pflanzenschutz Felder von der intensiven Bewirtschaf mittel zugelassen. 41000 Tonnen davon tung ausgespart bleiben. Die besten Er wurden auf die Fläche ausgebracht – 15 folge bringt eine Rückkehr zu exten Prozent mehr als im Jahr 2000. siveren Formen der Landwirtschaft. So Geradezu in den »Schwitzkasten« wurde 2001 in SchleswigHolstein eine gerät die Vogelwelt durch den Klima größere Versuchsfläche auf Ökoland Mit dem Weißstorch geht es in Deutsch- wandel. Die globale Erwärmung bringt bau umgestellt – und schon ein Jahr land langsam wieder aufwärts. www.spektrum.de 101
- 93. rezensionen Klaus Michael Meyer-Abich denn der Mensch habe ein tief veran Was es bedeutet, gesund zu sein kertes Bestreben, sinnvoll zu handeln Philosophie der Medizin und sich gesellschaftlich produktiv ein Hanser, München 2010. 639 S., € 29,90 zubringen. Ein bisschen Kapitalismus darf dabei sein: Wer den Wettbewerb liebe und besser sein wolle als die ande ren, dürfe ruhig etwas mehr verdienen. Aber gesünder sei das nicht. Am liebsten würde MeyerAbich philosophie auch die Wirtschaft für unsere Gesund heit zur Verantwortung ziehen und sie Traum einer idealen Welt verpflichten, nur noch gesunderhal tende Konsumgüter zu produzieren. In klausmichaelmeyer-Abichlieferteinpotpourriauspsychosomatik, letzter Konsequenz hieße das: keine Au kommunismusundAnthroposophie. tos, keine Fernseher. Denn diese tragen direkt zum weit verbreiteten Bewe »E in Mensch, der sich in seinem per sönlichen und gesellschaftlichen Umfeld wohl fühlt und im Einklang mit würde. Das verklärte Bild von den »gu ten alten Ärzten«, die ihren Patienten schon an der Nasenspitze ansehen, gungsmangel und den damit verbun denen Krankheiten bei. Jeder Mensch sei Teil der Natur und der Natur lebt, wird nicht krank«, sagt was ihnen fehlt, klingt allerdings etwas habe dementsprechend eine positive, Klaus Michael MeyerAbich. Der Physi altbacken. genetisch verankerte Reaktion auf sei ker und Philosoph ist emeritierter Pro Jedoch kann MeyerAbich nicht leug ne natürliche Umwelt. Nachweislich fessor für Naturphilosophie in Essen nen, dass die These, jeder Mensch sei sind Patienten weniger depressiv und und war Mitglied im Sachverständigen für seine Krankheit selbst verantwort werden schneller gesund, wenn sie aus rat verschiedener EnqueteKommissio lich, nicht immer bis in die letzte Kon einem Fenster mit einer schönen Aus nen zu umweltpolitischen Fragen. sequenz durchzuhalten ist, leidet er sicht, zum Beispiel auf Bäume, schauen Mit seinem neuen Buch entwirft er doch selbst unter familiärem Diabetes. können. Der Mensch solle in seinem Le ein ganzheitliches Bild vom Menschen Und da dürfen die Gene dann doch ein ben die seinen Bedürfnissen entspre in der Gesellschaft und seiner Umwelt. bisschen mit schuld sein. chenden Rhythmen – Tag und Nacht, Damit will er zur öffentlichen Diskus Oder auch die Lebens oder Arbeits Pausen, Feiertage, Urlaub – finden und sion über einen dringend benötigten, verhältnisse. Den meisten Menschen einhalten, um eine Balance zwischen geisteswissenschaftlichen Rahmen un fehle es in ihren Arbeitsverhältnissen Aktivität und Passivität erreichen und seres Gesundheitssystems beitragen. an Anerkennung, Selbstbestimmung sich an den Ursprung alles Seins erin »Da noch niemand eine Philosophie und vor allem an intrinsischer Motivati nern zu können. Wer geistig arbeite, der Medizin entworfen hat, musste ich on: Wer seine Arbeit für sinnvoll hält, solle sich einen Ausgleich in körperli das Buch selber schreiben«, sagt er in hat auch Freude daran. Ob man sie aber cher Betätigung suchen, wer analytisch seinem Nachwort. Ein hochgestecktes für sinnvoll hält, das hänge primär von arbeite, in künstlerischen Tätigkeiten. Ziel, das er nicht ganz erfüllt hat. der eigenen Bewertung ab. Aber bevor Solche Betrachtungen walzt Meyer Sein Verständnis von guter Medizin MeyerAbich daraus die Konsequenz Abich in epischer Breite aus. Besonders ist deutlich geprägt durch den Heidel zieht und jedem Angestellten empfiehlt, dieser Teil des Buchs erinnert immer berger Mediziner Viktor von Weizsä er möge sich seine Tätigkeit als sinnvoll wieder an die Ausführungen Rudolf cker (1886 – 1957), einen der Begründer zurechtinterpretieren, weist er doch lie Steiners (1861 – 1925), des Begründers der psychosomatischen Medizin. Für ber der Gesellschaft und den Arbeitge der Anthroposophie, zum selben The MeyerAbich sind alle Krankheiten bern die Verantwortung dafür zu, die ma; der Autor erwähnt ihn allerdings psychosomatisch und damit Konse Arbeitsverhältnisse zu verbessern, da nicht ein einziges Mal. quenz eigenen Handelns. Ein guter mit Gesundheit möglich wird. Ohne Zweifel ist die hier skizzierte Arzt – der, wie von Paracelsus gefor In der Folge entwirft der Autor nichts ideale Welt, die konsequenterweise von dert, die Eigenschaften eines Priesters, weniger als eine ideale, kommunistisch besseren Menschen bevölkert ist, wün Arztes, Psychologen und Pädagogen in inspirierte Gesellschaftsordnung, mit schenswert. Aber die Ideen sind nicht sich vereinen müsse – habe den Kran Grundeinkommen für Lebensunter neu, und dadurch, dass er viele nam ken auf seine Eigenverantwortung zu halt, Recht auf Arbeit und sozialpflich hafte Denker zitiert, schafft er noch kei verweisen. Das geht so weit, dass er tigem Privateigentum. Jeder solle das ne neue Philosophie. MeyerAbich be dem Patienten nicht einfach die Sym arbeiten können, für das er intrinsisch dient sich aus verschiedensten Schub ptome wegnehmen dürfe, da er ihn so motiviert sei, unabhängig von der Be laden und scheint dabei manchmal einer Entwicklungschance berauben zahlung. Dies würde er dann auch tun, selbst den Überblick zu verlieren. Eine 102 spektrumderwisseNschAFt·August2011
- 94. klare Linie istin dem Buch jedenfalls geht. Aber um dieses Gedankengut in reichend übersetzt oder erklärt werden. nicht zu erkennen. Letztlich lässt er den das Bewusstsein der Menschen zu rü Statt Klartext finden sich oft kryptische Leser ziemlich allein mit einem Pot cken, hätten dem Buch eine deutlich Anspielungen. pourri an philosophischen Gedanken. schlankere und klarere Struktur und Wer gerne ein bisschen vor sich hin Ein bisschen Individuum, ein bisschen ein jüngeres, präziseres Deutsch gutge philosophiert, den mag das Buch er Gesellschaft, dazu ein wenig Natur – tan. So werden es gerade die Menschen, freuen. Alle anderen werden es eher an wenn alles harmonisch ist, dann ist die MeyerAbich erreichen möchte, strengend und überflüssig finden. man gesund. Wer hätte das gedacht. kaum zu Ende lesen. Störend für den Ja, unsere Gesellschaft benötigt ein Lesefluss sind auch die zahlreichen eng Tanja Neuvians Umdenken, gerade was die heute gän lischen Zitate, die gerade in wichtigen Die Rezensentin hat in Medizin und Tiermedizin gigen Vorstellungen zur Wirtschaft und Passagen mitten im Text auftauchen promoviert und arbeitet als freie Wissenschafts- zum Umgang mit der Gesundheit an und weder vorher noch nachher aus journalistin in Ladenburg. Moon welle nimmt, verbrennt er sich gewiss Ein Film von Duncan Jones nicht zum ersten Mal daran die Finger. Mit Sam Rockwell und Kevin Spacey Die ihn umgebende Technik – die (Computerstimme) Wohnmaschine, das lunare Förderge Zwei DVDs, Koch Media 2011. rät, Computer Gerty – wird plausibel 93 Minuten, € 12,99 ins Bild gesetzt. Alles sieht abgenutzt auch als Blu-ray erhältlich und billig aus. Offensichtlich spart die Helium3Förderfirma, wo sie nur kann. Übrigens war auch das Produktions scieNceFictioN-Film budget von »Moon« mit drei Millionen Pfund für einen SciencefictionFilm Ein, zwei Mann auf dem Mond eher bescheiden, aber es ist erstaunlich, was ein kluger Regisseur und geschickt »moon«isteinkleines,klugesweltraum-monodram. eingesetzte Computertricks damit an stellen können. V orneweg ein bisschen Science zu der Fiction: Angenommen, in Zu kunft wird es der Menschheit gelingen, tomatisiert ablaufen. Zur Überwachung genügt pro Mondstation ein Mann. Im Debut des Briten Duncan Jones – Nachdem wir uns am Alltag des mü den Mondarbeiters sattgesehen haben, nimmt die Geschichte Fahrt auf. Die ge ihren Energiebedarf mittels Kernfusion er hat sein Handwerk als Werbefilmer wohnten Abläufe geraten durcheinan zu decken. Dafür braucht man das Iso gelernt – begegnen wir einem solchen der, Unerklärliches ereignet sich. Macht top Helium3, mit nur einem statt der Mondarbeiter. Er ist schon fast drei Jah die lange Isolation den Mann langsam üblichen zwei Neutronen zusätzlich zu re dabei und freut sich auf die Ab verrückt? Sieht er Gespenster? Hat ihn den zwei Protonen im Kern. Auf der lösung. Sein einziger Ansprechpartner die Firma vergessen? Erde ist das Isotop rar, auf dem Mond ist der Computer Gerty, der als dienst An dieser Stelle weiterzuerzählen, kommt es häufiger vor. Also wird es barer Geist und verständnisvoller Zu hieße den Film verraten. Nur so viel: lohnen, Helium3 dort zu fördern und hörer unermüdlich zur Stelle ist. Das ist kein Mysterythriller, in dem Un mit Raketen zur Erde zu schießen. Aus Den Arbeiter spielt Sam Rockwell, Sci tote den Mond unsicher machen. Wer Kostengründen soll alles möglichst au encefictionFans eher als schwatzhaft Sciencefiction mag, wird Anspielungen nervige Nebenfigur aus den Filmen »Ga auf fast jeden besseren Film des Genres laxy Quest« und »Per Anhalter durch erkennen, von »2001« über »Solaris«, Der Mondarbeiter in der Wohnmaschine die Galaxis« bekannt. Hier muss er ei »Lautlos im Weltraum«, »Alien«, »Blade nen ganzen Film allein tragen – und das Runner« bis »Outland«. Aber die in macht er hervorragend. Nach jahrelan »Moon« gebotene Auflösung der rätsel ger Einsamkeit ist er fast selbst zum Au haften Ereignisse hat mich dann doch tomaten geworden. Jeder Handgriff sitzt, aufs Angenehmste überrascht. Sie ist wenn er wieder einmal in den Raum nämlich logisch. anzug steigt und den Laster zur Förder station steuert, ohne einen Blick für die Michael Springer Mondlandschaft übrig zu haben. Nur Der Rezensent ist Physiker und ständiger wenn er Fertignahrung aus der Mikro Mitarbeiter von »Spektrum der Wissenschaft«. www.spektrum.de 103
- 95. Wissenschaft im Rückblick Hilfefürs Herz Dehnt sich die Milchstraße aus? »Das gesunde Herz kann die zur Kontraktion führenden Rei ze selbst bilden. Im Rahmen von Erkrankungen tritt zuwei »Da das galaktische Zentrum len eine Störung der Fortleitung dieser Reize auf. Sogenann ein starker Strahler für kon te ›elektrische Schrittmacher‹ liefern Gleichstromimpulse. tinuierliche Radiowellen ist, Man kann die Impulse durch dem Brustkorb aufliegende sollte man eine Absorpti Wellenlänge, die man nach Hautelektroden, durch eine dem Herzbeutel angelegte Elek onslinie bei 21 cm (verur dem Rotationsmodell der trode, einen in den Herzmuskel eingestochenen Draht und sacht durch atomaren Was Milchstraße erwarten sollte, auch durch einen Herzkatheter zuführen.« naturwissenschaft- serstoff) beobachten. Dies ist sondern ist zu den kürzeren liche rundschau, August 1961, S. 315 auch der Fall, aber merkwür Wellenlängen verschoben. digerweise liegt diese Ab Das Gas zwischen dem Zent Licht auf neuen Wegen sorptionslinie nicht bei der rum und uns bewegt sich auf uns zu. Es müssen Expan »Wenn man einen Lichtstrahl in einen dünnen Glasstab sionen in dem Modell vor schickt, der von einer winzigen das Licht weniger brechen kommen.« Umschau, August den Glashaut überzogen ist, so kann dieser Lichtstrahl nicht 1961, S. 457 – 460 mehr entweichen, weil er im Glasstab immer wieder total re flektiert wird. Dies trifft auch zu, wenn man den Stab biegt. Ein Mosaik des galaktischen Werden tausende Glasfasern zu einem Glasfaserbündel zu Zentrums, zusammen sammengeschlossen, so erhält man ein neues optisches Ins gesetzt aus RotAufnahmen trument.« neuheiten und Erfindungen, August 1961, S. 128 des Palomar Sky Survey von der Kriminalistik mit Funkspruch an (Eiffel-)Tower größtem Erfolg benutzt. Es sollen auf einem gewasche »Versuche mit drahtloser Telegraphie von Bord eines Aero nen Taschentuch etwa Blut plans wurden in Paris mit gutem Erfolge ausgeführt. Der überreste gesucht werden. Funkspruchapparat wiegt nur 14 kg, jedoch mußten zu sei CSI anno dazumal Das Tuch erscheint gleich ner Anbringung Verstärkungen des Flugzeugs im Gewicht mäßig weiß. Die Aufnahme von 11 kg vorgenommen werden. Der als Antenne dienende »Es ist bekannt, daß die pho durch ein dunkelblaues Fil Draht kann erst abgewickelt werden, wenn der Aeroplan sich tographische Platte viel emp ter zeigt nun deutlich Fle im Flug befindet. Er hängt in einer Länge von 120 m herab. Es findlicher für gewisse Farben cken an, die sich als Blutfle gelang, Funkentelegramme an die Station des Eiffelturms unterschiede ist, als unser cken herausstellen.« Umschau, aus Entfernungen von 45 bis 56 km zu senden.« Elektrotechni- Auge. Diese Eigenschaft wird August 1911, S. 688 sche Zeitschrift, August 1911, S. 835 TExTE Und FoToS: AUS ZEiTSchriFTEn dEr ForSchUngSbiblioThEk Für WiSSEnSchAFTS- Und TEchnikgESchichTE Zukünftige Weltmacht dES dEUTSchEn MUSEUMS, MünchEn. kürZUngEn WErdEn nichT EigEnS kEnnTlich gEMAchT. »Im Jahre 1902 erhob der Kongreß in Washington den Bau ei nes zentralamerikanischen Kanals zum Gesetz. Heute sind die Arbeiten soweit fortgeschritten, daß man den für die Er öffnung festgelegten Termin, den 1. Januar 1915, wohl wird einhalten können. Auf jeden Fall wird er eine Wendung brin gen, wie sie Völkern in Jahrhunderten meist nur einmal be schieden ist. Wir zanken uns in der Alten Welt um ElsaßLoth ringen und ähnliche Kleinigkeiten, und über dem Ozean streckt eine erstarkende Macht die Hände aus, um den Welt handel an sich zu reißen.« kosmos, August 1911, S. 313 – 320 Schleusen leiten den Schiffsverkehr durch den aufgestauten Gatunsee in Panama. 104 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 96. exponat des monats in koopeRation mit dem deutschen museum Als die Töne elektronisch wurden Synthetisch erzeugte Klänge waren bis in das frühe 20. Jahr hundert Zukunftsmusik. Zu den Pionieren gehörte der Musiker und Physiker Oskar Sala (Foto rechts), dessen »Mixturtrauto nium« (links und Mitte) auch Alfred Hitchcock faszinierte. FoToS: dEUTSchES MUSEUM M it seinem Film »Die Vögel« setzte Alfred Hitchcock 1963 einen Meilenstein im Horrorgenre. Auch heute noch geht dem Zuschauer das Kreischen der wild geworde Zündspannung der Gasentladung und damit die Tonhöhe präziser einstellen ließ. Drehknöpfe und Schalter über dem Manual ermöglichten Oktavtranspositionen und die Wahl nen Tiere durch Mark und Bein. Doch der geniale Regisseur von Klangfarben. verwendete keine irgendwie verarbeiteten Naturlaute, son Doch der Absatz blieb hinter den Erwartungen zurück, das dern setzte auf damals neueste Technik: das »Mixturtrauto Instrument war nicht leicht zu spielen. Trautwein verließ nium«, einen Verwandten der Synthesizer. Berlin. Sala setzte die Entwicklung allein fort und präsentier Der eigentliche Vater dieses elektroakustischen Instru te 1952 schließlich das Mixturtrautonium (siehe Bilder). Un ments war der Rundfunkpionier Friedrich Trautwein (1888 – ter den inzwischen zwei Manualen brachte Sala Flüssigkeits 1956), der seit 1930 musikalische Akustik an der Staatlichen widerstände an, um die dynamische Feinabstufung zu ver Hochschule für Musik in Berlin lehrte. Als Tongenerator ver bessern. Vor allem aber erzeugten zehn Thyratronröhren baute er in seinem »Trautonium« eine Glimmlampe. Die pe dank einer Frequenzteilerschaltung so genannte Untertöne riodische Zündung der Gasentladung erzeugte eine Kipp (Subharmonische). Im Unterschied zu Obertönen handelt es schwingung mit annähernd sägezahnförmigem Verlauf, die sich nicht um ganzzahlige Vielfache eines Grundtons, son nach Filterung mit einem Lautsprecher ausgegeben wurde. dern um Bruchteile davon wie ½, ¼. Dergleichen kommt in Die Tonhöhe ließ sich über ein Spielmanual wählen, das dem der Natur nur bei wenigen Instrumenten wie Gong oder Glo eines anderen frühen Synthesizers namens Hellertion nach cke vor. Sala verstand Untertöne als Spiegelbild der Obertö empfunden war: eine Metallschiene, über die eine mit Wi ne, was neue Möglichkeiten der Komposition bot. Als Mixtu derstandsdraht umwickelte Saite gespannt war. Berührten ren bezeichnete er subharmonische Akkorde, also Kombina sich beide infolge des Fingerdrucks, veränderte sich der elek tionen von Grund und Untertönen. trische Widerstand der Anordnung und damit die Frequenz Sala blieb der einzige Virtuose auf diesem Instrument. Er der Kippschwingung; durch ein Pedal ließ sich zudem die spielte zeitgenössische Kompositionen ebenso wie Tanz Lautstärke regeln. musik. In seinem eigenen Studio komponierte er bis in die Paul Hindemith, Professor für Komposition in Berlin, 1990er Jahre hinein Soundtracks zu Hörspielen, Theaterpro schrieb die ersten Stücke für das neue Instrument. Er brachte duktionen, Kultur, Industrie und Spielfilmen, darunter ne Trautwein mit seinem Studenten Oskar Sala (1910 – 2002) zu ben dem erwähnten Hitchcockklassiker auch die Geräusche sammen, der nun eigens Physik studierte, um bei der von der des »HBMännchens« der Zigarettenwerbung. Sein künst Firma Telefunken geförderten Weiterentwicklung mitzuwir lerischer Nachlass von 1900 Tonbändern, Dokumenten so ken. Das Unternehmen folgte damit der damals populären wie die Studioausstattung gelangte 2002 an das Deutsche Idee, die Hausmusik durch den Einsatz elektrischer Instru Museum. Das Mixturtrautonium ist seit 1995 in der Bonner mente zu beleben. Zweigstelle zu bewundern. Auf der Berliner Funkausstellung 1933 wurde das später als »Volkstrautonium« bezeichnete Gerät präsentiert. Eine die promovierte kunsthistorikerin Andrea Niehaus leitet das deutsche Thyratronröhre ersetzte die Glimmlampe, da sich so die Museum bonn. WWW.SPEKTRUM.DE 105
- 97. Vorschau Das Septemberheft 2011 ist ab 23. August im Handel. Karlsruher institut für technologie (Kit) Wie groß ist die Quantenwelt? Die Gesetze der Quantenmechanik beherrschen nicht nur den Mikro kosmos, man kann sie auch in der uns vertrauten Welt aufspüren. Vielleicht machen sich sogar Pflanzen bei der Fotosynthese und Zug vögel bei der Orientierung Quanteneffekte zu Nutze Die Zukunft der Mobilität Autos lernen in dicht gepackten Ko lonnen zu rollen – ganz ohne Fahrer; Verkehrsstaus werden im Rechner simuliert; der Zugfahrplan eines Landes wird von Grund auf neu be rechnet istocKphoto / trevor Kelly Ruf der Krokodile Die lautliche Verständigung der »Pan zerechsen«, etwa Kontaktrufe zwischen Mutter und Jungem, funktioniert in vielen Fällen ähnlich wie bei Vögeln. Die Tiere benutzen dabei auch die gleichen Hirnstrukturen. All das spricht für ein gemeinsames Erbe, das Kevin van aelst von den Vorfahren der Dinosaurier herrührt Der unbekannte Leibniz Schädliche Umwelthormone Es gibt kaum ein Wissenschafts Pestizide, Plastikzusätze, Konser newsletter gebiet, das diesem Universalgenie vierungsmittel: Die Tierwelt Möchten Sie regelmäßig über nicht entscheidende Anstöße und leidet schon seit Längerem unter die Themen und Autoren des neuen Hefts informiert sein? Fortschritte verdankt. Doch zu Chemikalien, die in die Umwelt Lebzeiten hat Gottfried Wilhelm gelangen und hormonähnlich WirhaltenSiegernaufdem Leibniz nur wenig publiziert. wirken. Auch der Mensch wird Laufenden:perE-Mail– undnatürlichkostenlos. Knapp drei Jahrhunderte nach über die Nahrungskette zu seinem Tod könnte sein Nachlass nehmend belastet. Wie gefährlich Registrierungunter: noch immer mit etlichen Über sind diese Pseudohormone? www.spektrum.com/newsletter raschungen aufwarten 106 SPEKTRUMDERWISSENSCHAFT·AUgUST2011
- 98. hirnforschunG i cocktailparty-effekt Hören am Limit Wenn bei einem Fest alle Gäste durcheinanderreden, arbeitet unser Denk- organ auf Hochtouren. Mit einer Reihe von Tricks sorgt es dafür, dass wir uns auf einzelne Stimmen im akustischen Tohuwabohu konzentrieren können. Ein Forscherteam um den Neurophysiologen Holger Schulze entdeckte einen wichtigen Mechanismus, der dafür mitverantwortlich ist. Von holGer schulze 60 GG 9_2011
- 99. iStockphoto / thereSatibbettS D ie Vernissage ist ein voller Erfolg: Schnell füllt sich die Galerie mit Kunstinteressier- ten. Kleine Gruppen von Menschen fachsim- Kollegen letztens oder dem Sektempfang nach der Trauung der besten Freundin? Stimmt! Doch auch wenn es uns nicht bewusst ist, voll- grosses PALAVer eine Party ist eine akustische extremsituation. Dennoch peln über die Exponate oder halten Smalltalk. bringt unser Gehirn bei Empfängen, Partys oder gelingt es uns meist problem Zwischen den Besuchern schlängeln sich Stu- bei einem Gespräch im voll besetzten Restau- los, einzelne stimmen aus dentinnen mit Tabletts voller Häppchen durch. rant eine wahre Meisterleistung: Es filtert die der geräuschkulisse heraus Hier lässt sich jemand über die Ausstellung aus, jeweils relevanten Informationen aus dem all- zufiltern. dort berichtet ein anderer von seiner letzten gemeinen Geplapper heraus. Reise. Der Raum ist erfüllt von Stimmengemur- Vom Cocktailparty-Phänomen sprach daher mel, Gesprächsfetzen, klappernden Schuhen der britische Kognitionswissenschaftler Colin und klirrenden Gläsern. Und doch dreht die jun- Cherry (1914 – 1979) vom Imperial College in ge Frau, die mit ihrer Freundin plaudernd durch London, der 1953 als erster Wissenschaftler das die Ausstellung geht, sofort den Kopf, als einer Hören unter derartigen akustischen Extrem- ihrer Bekannten ihren Namen ruft. Wenig spä- bedingungen erforschte. Unser Denkorgan ar- ter ist sie auch schon in ein neues Gespräch ver- beitet dabei so effizient, dass es bis heute nicht tieft – gerade so, als sei der Klangteppich im gelang, ein technisches System zu entwickeln, Hintergrund für sie gar nicht existent. das mit dem menschlichen Gehör mithalten Nichts Besonderes, meinen Sie? Das kenne könnte. Ein Roboter wäre als Gast auf einem Fest doch jeder – sei es vom Betriebsjubiläum des völlig überfordert. www.gehirn-und-geist.de 61
- 100. KLAVIer oDer TorTe? A B sischen Partysituation auch aus: Stimmen un- enhancinG by Global Winner-take-all inhibitory interactionS. in: ploS one 3, e1735, fiG. 1 [M] Im Hörkortex von rennmäusen terschiedlicher Sprecher kommen aus verschie- Mit frdl. Gen. von holGer Schulze; auS: kurt, S. et al.: auditory cortical contraSt gibt es so genannte tonotope denen Richtungen und lassen sich so voneinan- Karten (A). Benachbarte Areale der trennen (siehe Kasten S. 64). (hier jeweils unterschiedlich Das Cocktailparty-Phänomen funktioniert 0,5 mm eingefärbt) reagieren auf Töne aber nicht nur in Stereo. So sind wir auch in der mit angrenzenden Frequenz Lage, etwa die Stimmen mehrerer Sänger zu lokale Inhibition globale Inhibition bereichen. ein Neuron eines trennen, selbst wenn sie von einer Aufnahme Abschnitts (mittlere Kugel in C) stammen, die in Mono (also mit nur einem Mi- C D kann immer nur Zellen im krofon) aufgenommen wurde, oder wenn das Nachbarareal hemmen (rot). Abspielgerät nur über einen einzigen Laut- Das verstärkt den Kontrast sprecher verfügt. Noch extremer ist die Situa- zwischen benachbarten tion am Telefon: Hier müssen wir uns nicht nur Frequenzbereichen. Zudem mit einer einzelnen Schallquelle begnügen, wir existieren zyklische Karten, können auch ausschließlich mit einem Ohr deren Abschnitte radial ange lauschen. Dennoch vermögen wir verschiedene ordnet sind (B). Bereiche, die Tatsächlich ist die Aufgabe, die Worte eines Stimmen auseinanderzuhalten, wenn etwa die ähnliche Periodizitäten kodie einzelnen Sprechers aus einem Stimmengewirr Kinder der Freundin in die Muschel quaken ren, liegen wie Tortenstücke herauszuhören, alles andere als trivial. Das oder der Partner im Hintergrund einen Einwurf nebeneinander. Hierbei kann Gehirn wertet dazu eine Fülle von Schallpara- macht. ein Neuron eines Abschnitts metern gleichzeitig aus und vergleicht sie mit Offenbar ist das Hörsystem in der Lage, ne- (graue Kugel in D) Nervenzellen Erfahrungswerten. Zudem muss das Ganze in ben der Richtung noch weitere Eigenschaften in allen anderen Arealen Echtzeit erfolgen: Einen zweiten Versuch gibt es des Schalls auszuwerten, um verschiedene Quel- hemmen (blau) – was störge in der Regel nicht – man kann nicht nochmals len voneinander zu trennen. Mehr noch: Die räusche ausblendet. »hinhören«, so wie man vielleicht einen zwei- räumliche Information eignet sich vor allem ten Blick auf ein Bild werfen würde, das vor De- dazu, den Ursprung eines Gesprächs zu lokali- tails nur so wimmelt. Um diesen Anforderungen sieren. Um die Worte, die ans Ohr dringen, ein- gerecht zu werden, nutzt unser Denkorgan eine zelnen Sprechern zuzuordnen, nutzt das Gehirn ganze Reihe neuronaler Tricks und stößt dabei noch andere Mechanismen. mitunter an seine Leistungsgrenze. Kein Wun- Tatsächlich scheint unser Denkorgan die Ei- der also, dass wir ein nachlassendes Gehör – genschaften des akustischen Signals selbst zu sei es altersbedingt oder durch Schädigungen erkennen und auszuwerten. Von dieser Annah- verursacht – in der Regel zuerst im akustischen me ausgehend entwickelte der Psychologe Al Au f ei n en B l ic k Tohuwabohu bemerken. Bregman von der McGill University in Montreal (Kanada) im Jahr 1990 das Konzept der Hörob- Hingehört! Eine Frage der Aufmerksamkeit jekte. Es lässt sich am besten in Analogie zum 1 Selbst wenn viele Wie aber schafft es das Gehirn, aus dem Klang- Sehsinn erklären: Ein Objekt ist ein »Ding«, das Menschen laut durch- teppich durcheinanderquasselnder Stimmen wir sehen und so von anderen Dingen unter- einanderreden, können die richtige Information herauszufiltern? Mit scheiden können. Entsprechend meint der Be- wir uns auf eine einzelne dieser Frage beschäftigen sich Wissenschaftler griff Hörobjekt eine akustische Wahrnehmung, Stimme konzentrieren. seit mehr als 50 Jahren. Colin Cherry, der Entde- die sich genau identifizieren lässt. Das kann cker des Cocktailparty-Phänomens, stellte fest: zum Beispiel der reine, isolierte Ton einer Tür- 2 Diesen so genannten Cocktailparty-Effekt ermöglichen neuronale Hört ein Proband gleichzeitig zwei verschiedene Sprachsignale, so versteht er inhaltlich nur das, glocke sein, aber auch etwas so Komplexes wie ein gesprochener, zusammenhängender Text. worauf er seine Aufmerksamkeit richtet. Das Laut Bregmans Theorie – mittlerweile durch Hemmmechanismen im zweite ignoriert er weit gehend. Während man zahlreiche Experimente untermauert – erkennt Hörkortex. den Erzählungen seines Gesprächspartners unser Gehirn verschiedene Hörobjekte auf 3 Das System ist jedoch anfällig für Störun- gen. Deshalb machen sich folgt, plätschern die Worte des Nachbarn quasi an einem vorbei. Der britische Wissenschaftler vermutete, dass Grund ihrer physikalischen Eigenschaften: Aus welchen Frequenzen setzt sich der Schall zu- sammen? Wie laut ist er, und mit welcher Ge- alters- oder krankheits- das Gehirn im Wesentlichen die Richtung ana- schwindigkeit schwillt die Lautstärke an und bedingte Hörschäden lysiert, aus der das akustische Signal kommt. wieder ab (siehe Grafiken rechts)? besonders in lauter Umge- Stammen die Worte vom Gegenüber oder drin- Gerade Sprachsignale verfügen über eine bung bemerkbar. gen sie vom Nebentisch ans Ohr? Tatsächlich Reihe ganz charakteristischer Eigenschaften, die nutzt unser Denkorgan diesen Effekt in der klas- das Gehirn hierbei nutzen kann. Eine tiefe Män- 62 GG 9_2011
- 101. nerstimme unterscheidet sichvom hellen Ge- Meine Mitarbeiter und ich wollten wissen, plapper eines Kindes zunächst durch die jewei- wie die Nervenzellen in der Hörrinde der Tiere lige Grundfrequenz. Während die des Mannes reagieren, wenn wir ihnen zwei unterschied- beispielsweise mit 100 Hertz schwingt, liegt die liche harmonische Klänge gleichzeitig vorspie- des jungen Stimmchens etwa bei 400 Hertz. len. Diese Klänge dienten uns als Modell für Die stimmhaften Anteile der Sprache, die für Sprachsignale, die ebenfalls harmonisch sind. Tonhöhe oder Stimmlage verantwortlich sind, Dabei untersuchten wir die Antworteigenschaf- weisen darüber hinaus eine so genannte har- ten der Neurone auf verschiedene Reize und va- monische Frequenzstruktur auf. So schwingt riierten etwa die Frequenzen, die Periodizität die Männerstimme nicht nur bei 100 Hertz, oder die Lautstärke der Töne. Aus den Reaktio- sondern auch bei ganzen Vielfachen davon, also nen der Zellen erstellten wir so genannte topo- bei 200 Hertz, 300 Hertz und so weiter. Zudem grafische Karten vom Hörkortex der Tiere. Sie besitzt sie eine regelmäßige zeitliche Ampli- zeigen, welche Areale bei verschiedenen Tonsi- tudenschwankung: Der Verlauf der Schallwelle gnalen aktiv sind. einer Stimme mit einer Grundfrequenz von Im einfachsten Fall, wenn das Hörsystem rei- 100 Hertz wiederholt sich 100-mal pro Sekunde. ne Töne verarbeitet – also etwa einen elektrisch Das heißt, der Ton schwillt innerhalb einer Se- erzeugten, einzelnen Klang –, findet man im ALLes IN sCHWINgUNg kunde 100-mal an und wieder ab. Wissenschaft- auditorischen Kortex so genannte tonotope schall tritt in verschiedenen ler sprechen von Periodizität. Karten. Diese kennen Forscher schon länger. Sie Formen auf: Beim erklingen spiegeln die Reaktion von Nervenzellen auf die einer stimmgabel schwillt Nager beim Hörtest Frequenz eines Schallsignals wider. Ähnlich wie der schalldruck in einer sinus Meine Arbeitsgruppe für experimentelle Hör- bei den Tasten eines Klaviers liegen die Hirnare- förmigen Welle an und ab forschung in der Hals-Nasen-Ohren-Klinik der ale, die auf verschiedene Frequenzbereiche rea- (links). Die Höhe des Aus Universität Erlangen-Nürnberg sowie zuvor im gieren, in Streifen nebeneinander (siehe Grafik schlags, die Amplitude, Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magde- A auf S. 62). Und genau wie beim Piano reprä- bestimmt die Lautstärke des burg entdeckte einen neuronalen Mechanis- sentieren benachbarte Bereiche ähnliche Fre- Tons; die Periode dagegen mus, der genau diese Periodizität nutzt, um quenzen, während solche, die sich stärker unter- ist charakteristisch für die verschiedene akustische Signale aufzutren- scheiden, auch weiter auseinanderliegen. wahrgenommene Tonhöhe. nen – und zwar bei Mongolischen Wüstenrenn- Bereits im Jahr 2002 hatten wir entdeckt, eine gitarre oder auch die mäusen. Diese asiatischen Nager sind beliebte dass in der Hörrinde von Wüstenrennmäusen menschliche stimme erzeugt Versuchstiere für die Hörforschung, da ihr audi- nicht nur die Frequenz derart abgebildet wird. Klänge, bei denen innerhalb torisches System ganz ähnlich arbeitet wie das Zusätzlich fanden wir funktionelle Karten, die einer Periode zusätzliche schall des Menschen. So hören sie vor allem in einem die Periodizität, also das regelmäßige An- und druckspitzen, so genannte Frequenzbereich, in dem auch die menschliche Abschwellen eines Schallsignals, widerspiegeln. obertöne, auftreten (Mitte). Sprache lokalisiert ist – ganz anders als etwa Zu unserer Überraschung waren diese aber Bei einem geräusch verändert Ratten oder Hausmäuse, die auf Ultraschall spe- nicht linear angeordnet wie bei einer Klaviatur. sich der schalldruck scheinbar zialisiert sind. Vielmehr entdeckten wir, dass Bereiche, die chaotisch (rechts). dreaMStiMe / farzin SaliMi iStockphoto / oleG kalina dreaMStiMe / yuri efiMetS phySioloGie deS MenSchen, SprinGer, 2007, Periode Ton Periode KLAnG GERÄUSCH GehirnGeiSt, nach: SchMidt, lanG, Ampli- tude abb. 16.1 www.gehirn-und-geist.de 63
- 102. Bei einem Gespräch ähnliche Periodizitäten repräsentieren, gleich Das Ergebnis ist je nach Kartentyp höchst den Stücken einer Torte zu einem Kreis zusam- unterschiedlich. In linearen Karten hemmen im voll besetzten mengefügt sind. die Zellen eines jeden Bereichs nur die der direk- Restaurant voll- Schon damals vermuteten wir, dass diese zy- ten Nachbarareale (siehe Grafik C auf S. 62). Die bringt unser Gehirn klischen Karten einen Schlüssel zum Cocktail- Stärke der Wechselwirkungen lässt mit zuneh- party-Phänomen darstellen. Die Idee dahinter: mender Entfernung nach, so dass das über- eine wahre Meister- Individuelle Stimmen zeichnen sich durch cha- nächste oder gar überübernächste Areal nahezu leistung rakteristische Grundfrequenzen aus und daher unbeeinträchtigt bleibt. Dieses Verschaltungs- auch durch unterschiedliche Periodizitäten. prinzip nennt man laterale Inhibition. Es dient Demnach können die einzelnen Tortenstücke vor allem der Kontrastverstärkung zwischen einer zyklischen Karte im Hörkortex indivi- zwei benachbarten Bereichen in topografischen duelle Sprecher repräsentieren. Und je mehr Karten. Das hilft dem Hörsystem, geringfügige Personen mit verschiedener Stimmlage gleich- Unterschiede zu erkennen und so etwa zwei zeitig quasseln, desto mehr Tortenstücke müss- Männerstimmen mit ähnlicher Tonhöhe schär- ten erregt sein. fer voneinander zu trennen. Eine zyklische Karte weist dagegen eine völ- Wirkungsvolle Hemmung lig andere Geometrie auf und bietet daher auch Das klingt nach einem fürchterlichen Durchei- neue Möglichkeiten: Die Tortenstücke treffen nander für den Zuhörer: Er würde alle Stimmen sich in der Mitte und können sich daher alle ge- gleichzeitig wahrnehmen, inhaltlich folgen genseitig beeinflussen. Ein dominanter Bereich könnte er aber mit Sicherheit keiner. Vor einem ist so in der Lage, sämtliche anderen Areale zu derartigen akustischen Chaos schützen jedoch hemmen (siehe Grafik D auf S. 62). Für ein Ge- hemmende Wechselwirkungen innerhalb der spräch bei einer Cocktailparty wäre das von un- funktionellen Karten im Hörkortex. schätzbarem Wert. Nehmen wir an, die Neurone in dem Torten- stück, das den Sprecher repräsentiert, dem Sie Wo spricht’s? – Wie das Gehirn Schallquellen ortet zuhören wollen, sind ein bisschen aktiver als die der anderen Bereiche – etwa weil Ihr Erzähler et- Das Gehirn kann Klänge unterscheiden, die aus unterschiedlichen Richtun- was lauter redet. Entsprechend hemmt dieses gen an unser Ohr dringen. Das scheint selbstverständlich. Doch auch hierbei Areal die restlichen auch stärker als umgekehrt. nutzt das Hörsystem gleich mehrere Effekte – winzige Unterschiede, die So ist nach kurzer Zeit nur noch das Tortenstück durch das Hören mit zwei Ohren entstehen. So erreichen die Schallwellen des Spreches, dem Sie zuhören wollen, aktiv. von ein und derselben Quelle die beiden Lauscher nicht gleichzeitig: Auch Tatsächlich gelang uns 2008 der Beweis, dass wenn es sich nur um Bruchteile von Millisekunden handelt, kommen sie an dieses Prinzip im Hörkortex von Wüstenrenn- dem Ohr, das dem Ursprungsort näher liegt, früher an. Man spricht von inter- mäusen realisiert ist. Spielten wir den Tieren auralen Zeitunterschieden (kurz ITD von englisch interaural time difference). gleichzeitig mehrere Tonsignale mit unter- Ein weiterer hilfreicher Effekt entsteht dadurch, dass der Kopf – insbeson- schiedlichen Periodizitäten vor, so war in den dere bei höheren Frequenzen – schalldämpfend wirkt. So ergeben sich mini- Karten ihres Hörkortex nur jeweils ein domi- male Unterschiede in der Lautstärke zwischen beiden Ohren, die so genann- nanter Bereich aktiv – alle anderen traten in den ten interauralen Intensitätsunterschiede (kurz IID von englisch interaural Hintergrund. Mehr noch: Dieser Effekt ließ sich intensity difference). gezielt unterdrücken! Bei der wechselseitigen Schließlich kann das Hörsystem zur Auswertung der Richtung des einfal- Hemmung der Tortenstücke spielt der Boten- lenden Schalls noch die unterschiedliche Phasenlage der Schallwelle – einen stoff Gamma-Aminobuttersäure (GABA) eine sich stetig verändernden Winkel, der durch die Schwingungskurve entsteht – entscheidende Rolle. Er heftet sich an den so an den beiden Ohren auswerten (interaural phase difference, IPD). genannten GABAA-Rezeptor und hemmt die Die oberen Olivenkerne des Hirnstamms werten die drei Parameter ITD, nachgeschalteten Neurone. Blockierten wir nun IID und IPD aus. So bestimmt das Gehirn die Richtung, aus welcher der Schall diesen Rezeptor mit einer Substanz, die wir di- innerhalb einer Ebene kommt, außerordentlich genau. Sind die Parameter an rekt auf die betreffende Stelle im Mäusehirn ga- beiden Ohren gleich, so muss der Ton entweder direkt von vorn oder direkt ben, so verlor GABA seine Wirkung. In der Folge von hinten kommen. Was zutrifft, berechnet das Denkorgan aus der so ge- waren die Bereiche für die verschiedenen ein- nannten spektralen Verzerrung des Schalls: Er wird an den beiden Ohrmu- gespielten Periodizitäten gleichermaßen aktiv – scheln reflektiert, was manche Frequenzanteile verstärkt, andere hingegen und die Nager nicht mehr in der Lage, einem be- dämpft. Ob ein Geräusch eher von oben oder von unten kommt, erkennt das stimmten Tonsignal den Vorzug zu geben. Hörsystem ebenfalls an dieser Verzerrung. Es liegt nahe, dass dieser Mechanismus auch im menschlichen Gehirn existiert und es dabei 64 GG 9_2011
- 103. BeTAgTe LAUsCHer Mit zunehmendem Alter lässt das gehör nach. Das macht sich besonders in lauten Um gebungen bemerkbar – wie etwa im gut besuchten Café. fotolia / Monkey buSineSS iMaGeS unterstützt, Sprachsignale so zu unterscheiden, Ein bisschen Respekt gegenüber Ihrem Denk- dass nur die relevanten Informationen weiter organ wäre also durchaus angezeigt, wenn Sie Beachtung finden. Doch das ist noch längst das nächste Mal bei einem Empfang Sekt schlür- nicht alles, womit das Denkorgan aufwartet, um fen und mit den Kollegen Smalltalk halten. Zu- bei einer Cocktailparty zu bestehen. So muss es mal diese akustische Extremsituation die erste uns manchmal in die Lage versetzen, trotz Hin- sein wird, in der Sie vielleicht irgendwann fest- quellen tergrundgemurmel einem Gespräch über einen stellen müssen, dass Ihr Gehör gelitten hat – sei Haykin, s., Chen, Z.: the cock- längeren Zeitraum konzentriert zu folgen. In es alters- oder krankheitsbedingt. Denn selbst tail party problem. in: neural anderen Situationen ist es erforderlich, die kleinste Störungen können zur Folge haben, computation 17, S. 1875 – 1902, Aufmerksamkeit vom bisherigen Sprecher ab- dass Sie im Partytrubel einem Gespräch nur 2005 und einem neuen zuzuwenden – so etwa, wenn noch schwer folgen können, auch wenn beim Kurt, s. et al.: auditory corti- die junge Frau auf der Vernissage aus dem Plausch mit einer einzelnen Person noch alles cal contrast enhancing by Stimmengewirr heraus jemanden ihren Namen bestens erscheint. Wie man weiß, kann die Fre- Global Winner-take-all inhi- rufen hört, noch während sie mit ihrer Freundin quenzspezifität einzelner Neurone durch leich- bitory interactions. in: ploS plaudert. te Hörschäden nachlassen: Die Klaviertasten one 3, e1735, 2008 der tonotopen Karte werden breiter und begin- McDermott, J. H.: the cocktail Kontrolle von oben nen zu überlappen. Eine scharfe Trennung ist so party problem. in: current bio- An all diesen Prozessen sind höhere kognitive nicht mehr möglich. logy 19, r1024 – r1027, 2009 Zentren beteiligt. Das Hörsystem selbst bereitet Unsere Ergebnisse mit Mongolischen Wüs- schulze, H. et al.: Superposi- also die Schallinformation so auf, dass über- tenrennmäusen legen die Vermutung nahe, tion of horseshoe-like perio- geordnete kognitive Zentren das Geplapper um dass auch die Tortenstücke der zyklischen Kar- dicity and linear tonotopic uns herum sinnvoll verarbeiten können. Wis- ten im Nagerhirn bei nachlassender Hörleis- Maps in auditory cortex of senschaftler sprechen von einem Bottom-up- tung verschwimmen. Das macht sich besonders the Mongolian Gerbil. in: eu- Mechanismus. Gleichzeitig beeinflussen diese beim Auftrennen und Vorsortieren der Sprach- ropean Journal of neurosci- höheren Bereiche das Ganze von oben her – signale bemerkbar. Solche Einbußen lassen sich ence 15, S. 1077 – 1084, 2002 also top-down. Wenn wir jemanden besonders bislang durch Hörgeräte oder Cochlea-Implan- Xiang, J. et al.: competing gerne mögen oder er unsere Muttersprache tate nur bedingt ausgleichen. Und genau hier Streams at the cocktail party: spricht, während alle anderen in einer Fremd- liegt die große Herausforderung für die Hörfor- exploring the Mechanisms of sprache reden, fällt es uns leichter, unsere Auf- schung der Zukunft. Ÿ attention and temporal inte- merksamkeit auf ihn zu richten. Und das er- gration. in: the Journal of höht wiederum die Chance, dass sein Torten- Holger Schulze ist Neurophysiologe und Professor neuroscience 30, S. 12084 – stück in unserer Hörrinde letztlich das Rennen für experimentelle Hals-Nasen-Ohrenheilkunde an 12093, 2010 macht. der Universität Erlangen-Nürnberg. www.gehirn-und-geist.de 65