aus scinexx Ultrakalte Neutronen zwischen zwei Platten als Messhilfe Dunkle Energie: Weniger Platz für exotisches Feld Messungen mit ultrakalten Neutronen machen die Quintessenz-Theorie unwahrscheinlicher
Die Natur der Dunklen Energie ist weiter
unklar. Aber neue Messungen machen ein exotisches Feld als Erklärung
unwahrscheinlicher. Denn sie haben den Bereich stark eingeengt, in dem
sich ein solches Feld noch verbergen könnte – um das mehr als
Zehntausendfache. Gelungen ist dies dem europäischen Forscherteam mit
ungewöhnlichen Mitteln: Sie nutzten ultrakalte Neutronen als
Messwerkzeuge.
Fast drei Viertel des Kosmos sind nach gängiger Annahme mit
Dunkler Energie angefüllt – einer geheimnisvollen Kraft, die der
Gravitation entgegenwirkt. Sie ist vermutlich dafür verantwortlich, dass
sich das Universum ausdehnt – und dies immer schneller. Welcher Natur
diese Dunkle Energie
aber ist, darüber kann bisher nur spekuliert werden. Eine mögliche
Erklärung wäre Einsteins Kosmologische Konstante – und somit eine
intrinsische Eigenschaft des Raums selbst. Deshalb nimmt sie auch zu,
wenn sich der Raum ausdehnt.
Eine andere Erklärung liefert die "Quintessenz"-Hypothese: "Vielleicht ist der
leere Raum nicht leer, sondern durch ein unbekanntes Feld erfüllt,
ähnlich dem Higgs-Feld", erklärt Hartmut Abele von der TU Wien. Im
Gegensatz zur Kosmologischen Konstante könnte dieses Feld in Raum und
Zeit variieren. Untersucht wurden die Eigenschaften der Dunklen Energie
bisher vor allem im kosmischen Maßstab– beispielsweise durch Messungen
der Expansion des Universums.
Quantenzustände als Messhilfe
Doch Abele und seine Kollegen haben sich auf das andere Extrem verlegt:
den Mikrokosmos. Bereits 2011 entwickelten Abele und sein Kollege Tobias
Jenke dafür die Methode der Gravitations-Resonanz-Spektrometrie. Bei
dieser werden ultrakalte Neutronen, die ungeladenen Bausteine der
Atomkerne, zwischen zwei parallele, horizontale Platten gebracht. Nach derQuantentheorie
können die Neutronen in diesem Zustand nur diskrete Quantenzustände
einnehmen – und diese werden wiederum durch die Gravitation beeinflusst,
die auf die Teilchen wirkt.
Wirkt die Dunkle Energie, beispielsweise in Form eines Quintessenz-Felds
auf dieses System ein, dann müsste sich dies in winzigen Abweichungen
von dem theoretisch Vorhergesagten bemerkbar machen. Um diese winzigen
Schwankungen zu messen, versetzen die Forscher eine der
Platten in Schwingungen mit sich verändernder Frequenz. Entspricht eine
der Frequenzen genau der Energiedifferenz zwischen zwei
Quantenzuständen, gibt es einen Resonanzeffekt und das Neutron springt
in einen höheren Energiezustand. Dieses Ereignis können die Forscher
messen und damit die genaue Lage der Quantenzustände – und mögliche
Abweichungen - bestimmen.
Weniger Raum für "Chamäleon"-Effekt
Diese Methode haben Jenke, Abele und ihre Kollegen nun genutzt, um eine
der Quintessenz-Theorien zu überprüfen - das sogenannte
Chamäleon-Szenario. Dieses beschreibt eine bestimmte Form der
Wechselwirkung zwischen dem Feldpotenzial der Dunklen Energie und der
Materie. Die aktuellen Messungen ergaben jedoch bisher keine Hinweise auf
eine solche Wechselwirkung. "Wir haben keine Abweichungen von den
etablierten Newtonschen Gesetzen der Schwerkraft detektiert", berichtet
Abele.
Das bedeutet auch, dass der Bereich, in dem sich diese rätselhaften
Feldwirkungen noch verbergen könnten, damit erheblich verkleinert wird.
Die neuen Daten senken die in bisherigen Messungen festgestellte
Obergrenze um das mehr als Zehntausendfache ab, wie die Forscher
berichten. "Wir können dadurch eine große Spannbreite von Parametern
ausschließen", sagt Abele.
Die Suche geht weiter
Noch ist damit das Chamäleon-Szenario oder die Quintessenz-Theorie nicht
vom Tisch. Denn theoretisch ist es immer noch möglich, dass es
neuartige physikalische Felder oder Kräfte unterhalb der momentanen
Auflösungsgrenze der Gravitations-Resonanz-Spektrometrie gibt. Die
Forscher arbeiten daher daran, ihre Methode weiter zu verfeinern. Eine
Steigerung der Genauigkeit um einige Größenordnungen halten sie dabei
für durchaus machbar.
Sollte sich allerdings auch dann kein Hinweis auf exotische Felder und
deren Wechselwirkungen finden, dann spräche das für Einsteins
Kosmologische Konstante – und dafür, dass die Dunkle Energie doch eine
ureigene Eigenschaft des Raumes selbst ist. ( Physical Review Letters, 2014)
«Das Körper-Geist-Problem wird unzulänglich bedacht»
Zehn Jahre nach der
Publikation eines «Manifests» von Hirnforschern nimmt eine Gruppe von
Wissenschaftern die damaligen Prophezeiungen unter die Lupe. Im
Interview erklärt der Initiator der Gruppe, Felix Tretter, warum die
Hirnforscher allein nicht weiterkommen.
Herr Tretter, die prophezeite Revolution der Psychopharmaka ist, wie Sie schreiben, ausgeblieben.
Weshalb?
Dass
sich psychische Krankheiten heute nicht viel besser behandeln lassen
als vor zehn Jahren, liegt an der Eindimensionalität des therapeutischen
Ansatzes. So beruht der derzeitige Fokus darauf, bestimmte neuronale
Schalter (Rezeptoren) im Gehirn mit Medikamenten gezielt zu
beeinflussen. Damit packt man die Störung aber nicht an der Wurzel an,
sondern tangiert sie lediglich an der Oberfläche. Das zeigt bereits der
um zwei Wochen verzögerte Wirkungseintritt. Auch angesichts der vielen
Wechselwirkungen und Rückkoppelungen zwischen den schätzungsweise rund
100 Milliarden Nervenzellen im Gehirn erscheint es schwer vorstellbar,
wie es mit einer so simplen Methode gelingen soll, weitreichende
therapeutische Effekte zu erzielen.
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Das Manifest aus der Hirnforschung
lsl./NvL. ⋅ Im Jahr 2004 haben elf mehrheitlich deutsche Wissenschafter in der Zeitschrift
«Gehirn und Geist» ein «Manifest» veröffentlicht.¹ Sie gaben einen
kurzen Überblick, wo die Hirnforschung damals stand, und machten
Vorhersagen, welche Erkenntnisse sie in den nächsten zehn
beziehungsweise zwanzig bis dreissig Jahren
bringen werde. Einige Aussagen sind sehr zurückhaltend. So heisst es
etwa, dass man noch nicht einmal in Ansätzen verstehe, nach welchen
Regeln das Gehirn arbeite, wenn «unmittelbare Wahrnehmung und frühere
Erfahrung miteinander verschmelzen», oder «wie das innere Tun als
‹seine› Tätigkeit erlebt wird». Und es sei überhaupt nicht klar, wie man dies mit den heutigen Mitteln erforschen könne.
Jedoch
habe man herausgefunden, schreiben die Forscher weiter, dass neuronale
Prozesse und bewusst erlebte geistig-psychische Zustände aufs Engste
miteinander zusammenhingen. Zwar kenne man die genauen Details noch
nicht, jedoch könne man davon ausgehen, dass die mentalen Prozesse
grundsätzlich durch physikochemische Vorgänge beschreibbar seien. Dann
prophezeien sie, in den nächsten zwanzig bis dreissig Jahren werde man
so weit sein, dass man «widerspruchsfrei Geist, Bewusstsein, Gefühle,
Willensakte und Handlungsfreiheit als natürliche Vorgänge ansehen werde,
denn sie beruhen auf biologischen Prozessen». An dieser und ähnlichen
Aussagen, die eine rein biologische Sichtweise erkennen lassen, störten
sich viele Wissenschafter, insbesondere Philosophen, die sich seit
Jahrhunderten mit Fragen über Geist und Bewusstsein auseinandersetzen.
In Ihrem Memorandum, erschienen in der Zeitschrift «Psychologie heute», kritisieren
Sie unter anderem den Datensammel-Eifer heutiger Forschergenerationen.
Sind möglichst grosse Datenmengen nicht eine Voraussetzung, um
Zusammenhänge besser zu verstehen? Auch bei
den Genen hat man zunächst nach Varianten gesucht und ist erst später
dazu übergegangen, die Auswirkungen dieser Varianten auf Protein-Ebene
zu erforschen.
Die Big-Data-Strategie setzt auf die
Fähigkeit von statistischen Methoden, aus den riesigen Datenmengen
typische Muster herauszufiltern. Das ist zwar ein interessanter Ansatz,
aber ohne eine zugrunde liegende Theorie wenig verständnisfördernd. So
gibt es in der Mathematik verschiedene Methoden, um komplexe
Beziehungsgeflechte zu entschlüsseln. Hierzu zählen etwa die
Faktorenanalyse oder die Graphentheorie. Solche Methoden verfügen über
eine hohe analytische Kapazität und liefern komplexe, unübersehbare
Modelle. Sie lassen sich nur noch mithilfe von mathematischen Kennzahlen
charakterisieren. Das bedeutet: Computer können das Gehirn vielleicht
analytisch «verstehen», wir Menschen aber auf diese Weise nicht.
Halten Sie Projekte wie das Human Brain Project daher für sinnlos?
Das
Human Brain Project versucht vor allem, vorhandene Daten aus den
verschiedensten Forschungsbereichen zusammenzuführen. Es soll
idealtypische Neurone von idealtypischen Gehirnarealen und
idealtypischen Verbindungen zwischen diesen Regionen modellieren und in
ein umfassendes Computermodell einbringen. Ziel dabei ist es, die
neuronalen Prozesse zu simulieren und durch Veränderung der
Modellparameter Störungen nachzuahmen. Auch hier fehlt allerdings ein
Leitkonzept, also eine Theorie, wie das Gehirn funktioniert. Stattdessen
sollen die Erkenntnisse gewissermassen durch Probieren gewonnen werden.
Dennoch ist dieses Projekt ein wichtiger Schritt in die richtige
Richtung der Theoriebildung. Das «Körper-Geist-Problem» wird darin
jedoch unzulänglich bedacht. [Gemeint ist damit die Frage, wie das
Gehirn – also die Nervenzellen mit all ihren Verbindungen und Funktionen
– das Bewusstsein erzeugt; Anm. d. Red.].
Im
Gegensatz zu den Manifest-Autoren sagen Sie, dass man mentale Funktionen
wie Empathie oder Imagination nicht im Gehirn lokalisieren kann. Denn
eine erhöhte Aktivität in einem bestimmten Hirnareal sagt nichts über
deren Spezifität aus. Es gibt aber Patienten, die beispielsweise infolge
einer schlaganfall- oder unfallbedingten Verletzung eines umgrenzten
Hirnareals spezifische Fähigkeiten nicht mehr besitzen, etwa die
grammatikalische Kompetenz oder Empathie. Ist das nicht ein Hinweis, dass sich Funktionen zumindest teilweise lokalisieren lassen?
Je
nachdem, welche Verarbeitungsstufe der sensorischen Eingangs- oder der
motorischen Ausgangsbahnen im Gehirn beschädigt ist, sind die hiervon
betroffenen geistigen Funktionen schwer beeinträchtigt. Durch intensives
Training lassen sich diese aber teilweise wieder herstellen. Das
spricht für eine gewisse multilokale Repräsentation solcher Funktionen
und den Netzwerk-Charakter des Gehirns. Die einfache
Lokalisationstheorie ist falsch. Jeder Gehirnort ist an vielen
Funktionen beteiligt, und jede Funktion ist mit vielen Gehirnorten
verbunden. In dieser Hinsicht sind Hirnkarten von allen Verbindungen im
Gehirn, etwa das Human Connectome Project, zweifellos ein wichtiges
Vorhaben, das mehr örtliche Präzision bringt. Ein weiteres Problem ist
aber, dass psychologische Konstrukte wie «Empathie» schwer zu
beschreiben sind. Deshalb erscheint mir die Lokalisation dieses sozialen
Gefühls höchst problematisch, selbst wenn man nach dem Netzwerk und
nicht nach einem Hirnareal der Empathie sucht. Denn grosse Teile dieses
Netzwerks sind vermutlich auch bei Hassgefühlen beteiligt.*
Die
Manifest-Autoren schreiben: Der Geist fiel nicht vom Himmel, sondern
hat sich im Lauf der Evolution entwickelt. Kann die Evolutionsbiologie
einen Beitrag zur Klärung der Frage leisten: Was ist der Geist?
Nein,
das glaube ich nicht. Denn bevor man über den Geist spricht, muss man
erst das Geistige definieren und die Frage beantworten: Was ist das Bewusstsein? Die britische Psychologin Susan Blackmore hat dazu ein
Dutzend Hirnforscher befragt und ein Dutzend verschiedene Definitionen
erhalten. Der amerikanische Hirnforscher Christof Koch war sogar nicht
abgeneigt, Bienen eine Vorform von Bewusstsein zuzuschreiben. Wenn ein
derart breiter Dissens besteht, dann weiss man nicht, was mit
Bewusstsein eigentlich gemeint ist:
Wachheit, Wissen, Selbstbewusstsein oder etwas anderes? Über etwas zu
spekulieren, das man weder definieren noch kommunizieren kann, ist nicht
sehr effektiv.
Sie plädieren dafür, die Philosophie mehr einzubinden. Wie kann diese die bestehenden Wissenslücken füllen?
Zu
den grundsätzlichen Problemen der Neurowissenschaften gehört, dass es
keine differenzierte Gehirntheorie gibt. Hier kann die Philosophie als
Mutter aller Wissenschaften weiterhelfen, zumal sie über viel Erfahrung
mit der Theoriebildung verfügt und viel über erkenntnistheoretische
Grenzen wissenschaftlicher Methodik weiss. Diesen Weg haben auch die
Physiker eingeschlagen. So haben sich vor rund 90 Jahren Physiker und
Philosophen im Rahmen des Wiener Kreises über die Grundfragen der
Erkenntnisse in der modernen Physik ausgetauscht. Die Ergebnisse liefern
interessante Einsichten etwa zur wissenschaftlichen
Erkenntnisfähigkeit, zum Verhältnis von Empirie und Theorie und zur
Theoriebildung. Dies wäre für eine wirklich multidisziplinär begründete
Hirnforschung essenziell.
Philosophie wäre aber auch wichtig wegen ihrer
langen Diskussion des Gehirn-Geist-Problems, wegen ihrer Kompetenz zur
Frage «Was ist der Mensch?» und wegen der Notwendigkeit einer Ethik der
Neurowissenschaft: Sollen wir alles tun, was wir technisch können?
Sie
fordern mehr Nachdenklichkeit in der Neurowissenschaft. Aus einem
interdisziplinären Dialog soll eine «reflexive Neurowissenschaft»
entstehen. An welche Disziplinen haben Sie neben der Philosophie noch
gedacht?
Ein Austausch mit der Physik, der Chemie,
den Biowissenschaften, der Psychologie und insbesondere den
Systemwissenschaften wäre für eine echte Interdisziplinarität
förderlich. Darüber hinaus können die Sozial- und Kulturwissenschaften,
aber auch die überkonfessionelle Theologie, wichtige Beiträge leisten.
Warum sind die Systemwissenschaften so wichtig?
Den
mathematisch operierenden Systemwissenschaften kommt eine
Schlüsselrolle zu, da sie aufbauend auf der Computational Neuroscience
den Systemcharakter des Gehirns am besten berücksichtigen. Sie sind am
ehesten in der Lage, die auf verschiedenen Ebenen des Gehirns
stattfindenden komplexen neuronalen Prozesse begrifflich und methodisch
aufzuschlüsseln und darzustellen. Die Kommunikation zwischen einzelnen
Nervenzellen verläuft nicht nur in zwei Richtungen, besteht also nicht
nur aus Rede und Antwort. So werden die Signale einzelner Neurone von
anderen häufig verstärkt oder abgeschwächt. Um die enorme Vielfalt an
derartigen Einflüssen zu berücksichtigen, bedarf es komplexer
mathematischer Modelle und Computersimulationen.
Haben Sie den Eindruck, dass grundsätzlich Interesse für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit besteht?
Ja,
es gibt vereinzelte Ansätze. Aber im Streit der Fakultäten scheint sich
dies in letzter Zeit wieder aufzulösen. Auch viele Hirnforscher und
Philosophen sperren sich gegen einen Austausch. Sie haben Mühe mit den
Methoden der jeweils anderen Disziplin: Die reden ja nur, sagen die
einen. Die machen nur Experimente, die anderen. Etwas mehr Respekt
füreinander wäre wünschenswert. In diesem Sinne engagiere ich mich mit
Forschern aus verschiedenen Fakultäten seit einigen Jahren für die
Entwicklung neuropsychiatrischer Theorien von psychischen Krankheiten.
*Nota. Eine Revolution in der Neurowissenschaft haben die 'bildgebenden Verfahren' gebracht, ohne die hätte es das Manifest nicht gegeben. Da sie aber eben Bild-gebend und nicht Digit-gebend sind, liegen sie im analogen Modus - und in dem können Bejahung und Verneinung nicht dargestellt werden. Mit andern Worten: Alles, was man zu 'sehen' meint, könnte auch genau das Gegenteil bedeuten. Denn merke: Das Phänomen ist etwas anderes als das, was es bedeutet. JE
aus scinexx Fotostudio Works/Lehre Villach / pixelio.de
Traumafolgen werden vererbt
RNA-Schnipsel übertragen körperliche Folgen schweren Stresses bis auf die Enkel
Traumatischer Stress
hinterlässt körperliche Veränderungen nicht nur bei uns selbst, sondern
auch bei unseren Nachkommen. Darauf deuten Versuche mit Mäusen hin.
Wurden sie schwerem Stress ausgesetzt, zeigten selbst ihre Enkel noch
ein abnormes Verhalten und einen veränderten Stoffwechsel. Vererbt
werden diese Traumafolgen über kleine RNA-Schnipsel, die mit dem
Spermien weitergegeben werden, wie die Forscher im Fachmagazin "Nature
Neuroscience" berichten.
Traumatische Erfahrungen der Kindheit verändern nicht nur
nachhaltig die Psyche der Betroffenen, sondern auch deren körperliche
Gesundheit – und dies oft lebenslang. Ob und wie sich diese Traumafolgen
auch auf die Nachkommen übertragen können, war bisher unklar. Isabelle Mansuy von der ETH und Universität Zürich und ihre Kollegen haben dies nun in Experimenten mit Mäusen untersucht. Für ihre Studie setzten die Forscher Mäuse nach der Geburt extremem
Stressaus: Sie trennten sie in willkürlichen Zeitabständen von ihrer
Mutter. Nachdem diese Mäuse ausgewachsen waren, überprüften sie ihr
Verhalten mit einem Satz standardisierter Tests, indem sie unter anderem
ihre Reaktion auf helles Licht und offene Räumen prüften und sie in
einem Becken schwimmen ließen. Das Ergebnis
Alle dem frühkindlichen Stress ausgesetzten Mäuse zeigten ein
verändertes Verhalten. Sie hatten größtenteils ihre natürliche Scheu vor
diesen Aufgaben verloren. Verhalten und Stoffwechsel der Nachkommen verändert
Das eigentlich Interessante aber zeigte sich beim Nachwuchs dieser
Mäuse: Obwohl sie alle völlig normal und ungestresst gehalten wurden,
manifestierten sich auch bei ihnen die Verhaltensauffälligkeiten. Selbst
bei den Enkeln wiesen die Forscher diese Veränderungen noch nach. Doch
bei den Verhaltensänderungen blieb es nicht: Auch der Stoffwechsel der
Mäuse-Nachkommen war verändert. Insulin- und Blutzuckerspiegel lagen bei
ihnen niedriger als bei Jungtieren, deren Eltern und Großeltern keinen
Stress erfahren hatten. Sie waren zudem trotz gleicher Nahrung deutlich
schmächtiger. Die Jungtiere können diese Merkmale im Gegensatz zum Verhalten
nicht von ihren Eltern "abgeguckt" haben. Nach Ansicht der Forscher
liegt daher der Schluss nahe, dass sich diese Folgen traumatischer
Erfahrungen vererbt haben müssen. "Wir konnten erstmals beweisen, dass traumatische Erfahrungen den Stoffwechsel beeinträchtigen und diese Veränderungen erblich sind", sagt Mansuy.
RNA-Schnipsel als Überträger
Wie diese Traumafolgen vererbt werden, zeigte eine weitere Untersuchung
der gestressten Mäuse und ihrer Nachkommen: Als die Forscher Proben von
Blut, Spermien und Gehirn der Tiere analysierten, fiel ihnen ein
Ungleichgewicht von Micro-RNAs auf. Diese kurzen RNA-Moleküle sind kurze
Kopien des Erbguts, die in den Zellen vor allem regulierende Aufgaben
übernehmen. Sie steuern beispielsweise, wie stark bestimmte Gene
abgelesen und in Proteine umgesetzt werden.
Bei den Mäusen, deren Eltern und Großeltern traumatische Erfahrungen
gemacht hatten, war die Verteilung und Menge dieser Micro-RNAs anormal,
wie die Forscher berichten. Von einigen existierten zu viele, von
anderen zu wenig. Dadurch laufen Zellprozesse, die durch diese
Micro-RNAs gesteuert werden, aus dem Ruder. "Mit dem Ungleichgewicht der
Micro-RNAs in Spermien haben wir einen Informationsträger entdeckt,
über den Traumata vererbt werden könnten", erklärt Mansuy. Micro-RNAs sind kurze Erbgutschnipsel, die regulierend in die Genaktivität eingreifen
Es seien jedoch noch einige Fragen offen, zum Beispiel wie genau es
zu dem Ungleichgewicht der kurzen RNAs kommt. "Sehr wahrscheinlich sind
sie Teil einer Wirkkette, die damit beginnt, dass der Körper zu viele
Stresshormone produziert." Der gleiche Mechanismus könnte aber auch der Vererbung
anderer erworbener Eigenschaften zugrunde liegen, vermutet die
Forscherin. "Die Umwelt hinterlässt ihre Spuren im Gehirn, den Organen
und auch in Keimzellen. So werden diese Spuren teilweise an die nächste
Generation weitergegeben." Nature Neuroscience, 2014; doi: 10.1038/nn.3695)
aus Süddeutsche.de, 9. April 2014 12:35 Petra Bork, pixelio.de
Genetik Harte Kindheit, schwaches Erbgut Chronischer Stress
hinterlässt Spuren, auch im Erbgut. Das klingt plausibel, doch wie
genau sich zum Beispiel eine schlechte soziale Stellung und der damit
verbundene Stress im Genom auswirken, ist nicht leicht nachzuweisen.
In einer kleinen Studie
haben sich nun Hinweise darauf gezeigt, dass sich die sozialen
Verhältnisse, in denen Kinder aufwachsen, auf die Struktur der
Chromosomen auswirken (PNAS, online).
Chromosomen enthalten an ihren Enden eine Art Schutzkappe. Diese
sogenannten Telomere schrumpfen mit fortschreitendem Alter. Außerdem
deuten auffällig kurze Telomere darauf hin, dass der betreffende Mensch
anhaltend starken Belastungen ausgesetzt ist, zum Beispiel einem
schwierigen Lebensumfeld.
Die Forscher um Colter Mitchell von der University of Michigan untersuchten die Telomere von 40neunjährigen afroamerikanischen Jungen aus amerikanischen Großstädten.
Dabei waren im Durchschnitt die Telomere jener Jungen auffallend kurz,
die in schlechteren sozio-ökonomischen Verhältnissen lebten. Die
Forscher haben bereits begonnen, diesen Zusammenhang im Rahmen einer
größeren Studie zu überprüfen.
aus Die Presse, Wien, 9. 4. 2014 LINZ; 40.000 LEUCHTDIODEN ERHELLEN DAS ARS ELECTRONICA CENTER
Wie Licht das Gehirn illuminiert
Licht,
vor allem blaues, ermuntert uns nicht nur auf dem Weg, auf dem wir es
sehen. Es kommt auch unvermerkt ins Gehirn, stellt die innere Uhr und
fördert die Kognition. Und an die Schatten dieses Lichts erinnert sich
das Gehirn lange.
von Jürgen Langenbach
"Mehr Licht“ soll Goethe
gehaucht haben, als das seine am Flackern war, gesichert ist es nicht,
vielleicht wollte er „mehr nicht“. Aber selbst wenn sich die Zeugen
verhört haben, taten sie es mit Grund, wir leben vom Licht. Das beginnt
mit der allfrühjährlichen Erfahrung, wie man aufblickt und -atmet, wenn
das drückende Grau sich verzogen hat; und das geht so weit, dass lästige
Kilos los wird, wer sich dem Licht des Morgens aussetzt, es muss nicht
lang sein, es darf mild sein, aber es muss morgens sein. Das bemerkte
Phyllis Zee (Chicago) an Probanden, die sie entweder vor Mittag oder
danach 20, 30 Minuten spazieren gehen schickte. Den Rest des Tages
verbrachten die Leute in ihrem Alltagsleben, zu Hause und/oder im Büro.
Dort werden sie mit 200 bis 300 Lux bestrahlt, im Freien kommen
selbst bei verhangenem Himmel 1000. Die Hälfte reicht, und eine Woche
reicht, dann ist der Body-Mass- Index – das Maß für den Wuchs in die
Breite – bei denen mit Morgensonnne signifikant niederer als bei denen,
die nachmittags draußen sind (PLoS One, 2.4.). Zee führt das darauf
zurück, dass das Morgenlicht beim Justieren der inneren Uhr hilft, der
„circadian clock“, sie schlägt ungefähr den Tagestakt und wird jeden
Morgen an der Sonne gestellt. Dass sie durch Kunstlicht und verkürzten
Schlaf verwirrt wird – die Dauer nahm in den letzten 50 Jahren um eine
Stunde ab –, spielt bei der Epidemie der Fettleibigkeit mit. Länger
schlafen hilft, und nun eben auch das Morgenlicht.
Innere Uhr braucht Morgenbläue
Die Rolle als Taktgeber ist die erste, die das Licht für das Leben
spielte – lange bevor der Sehsinn entwickelt wurde –, früh stellte es
sich auf die Rhythmen des Tages ein. Aber man bemerkte es spät, in den
1950er-Jahren, und erst in den 90ern fiel auf, dass dieses Licht ganz
anders wahrgenommen wird als das, was wir bewusst sehen: Letzteres
aktiviert die Fotorezeptoren der Netzhaut, jene in Stäbchen und Zapfen,
die zwei Typen gab es, mehr nicht, so stand es in den Büchern. Aber dann
bemerkte man an Mäusen, die blind waren und ihre innere Uhr doch im
Takt hielten, einen dritten Zelltyp, er sitzt im „ganglion layer“, der
verbindet Stäbchen/Zapfen mit dem Gehirn. Und er hat ganz eigene
lichtempfindliche Zellen – „intrinsic photosensitive retinal ganglion
cells“ (ipRGCs) –, ihr Pigment Melanopsin registriert vor allem blaues
Licht, das ist jenes, das jeden Tag zuerst auf die innere Uhr fällt, im
Dämmer des Morgens.
Und es wirkt nicht nur auf die Uhr, sondern
auch direkt auf manche Hirnregionen, das war die nächste Überraschung:
Blaues Licht steigert die Reaktionsfähigkeit, auch kognitiver Leitungen.
Das leuchtet ein: Auch bei dem Licht, das wir sehen, pries der Dichter
das blaue Band des Frühlings, und als der späte Wilhelm Reich in
höchster Verzweiflung war, suchte er im Blau des Himmels eine Energie,
die sämtliche Leiden heilt, er nannte sie „Orgon“ und wollte das
einfangen.
In hellerer Form geht seit einigen Jahren die „Blue
Light Group“ – Forscher, Augenärzten, Lichttechniker – den
Vor-/Nachteilen des blauen Lichts nach. Mitgründer Steve Lockey (Boston)
hat als Erster bemerkt, dass blaues Licht – via ipRGCs – das Gehirn
mehr anregt als grünes, er hält es deshalb für das „gesünderes Licht“.
Aber es steht auch im Verdacht, zu Erblindung durch Makuladegeneration
beizutragen (Nature 469, S.284).
Diese Ungewissheit besorgt nicht
nur die Grundlagenforschung, sie hat höchst praktische Relevanz: Die
Innenbeleuchtung wird derzeit umgestellt, auf Sparbirnen und
Leuchtdioden – mit viel Blau –, und niemand kann sagen, wie das neue
Licht sich auf den Körper, die Augen, das Gehirn auswirkt. Man weiß
nicht einmal, ob und wie Stäbchen/Zapfen und ipRGCs zusammenspielen,
ihre Effekte sind schwer trennbar. Aber Sarah Chellappa (Liège) hat
einen Weg gefunden: Wenn eine fotosensitive Zelle von einem Photon
getroffen wird, reagiert sie mit Veränderung ihrer Form. Die muss
rückgängig gemacht werden, bevor das nächste Photon wahrgenommen werden
kann. Dafür sorgen in Stäbchen/Zapfen Enzyme; in ipRGCs ist es anders:
Fotosensitiv sind sie in 11-cis-Form, und zwar für blaues Licht; schlägt
ein Photon ein, kommt die All-trans-Form. Aus ihr zurück führt kein
Enzym, sondern das nächste Photon, und das muss in Orange kommen.
Das
hat Chellapa genutzt: Sie hat Probanden in Hirnscanner gelegt und zehn
Minuten monochromem Licht ausgesetzt, kurzwelligem Blau (461 Nanometer)
oder längerwelligem Orange (589). Dann kam eine Stunde Dunkelheit. In
der wurden die Stäbchen/Zapfen in ihren Ausgangszustand gebracht; in den
ipRGCs war das nicht möglich, es gab ja keine Photonen. Dann kam wieder
Licht, und die Gehirne der Probanden, die Orange gesehen hatten, wurden
in jenen Regionen aktiv, an die die ipRGCs melden (Pnas, 1.4.).
Vorsicht vor Verseuchung mit Farben!
Das heißt, dass Licht bzw. Melanopsin die Kognition beeinflusst, über
einen weiten zeitlichen Abstand – im Experiment eine Stunde –, es wirft
einen langen Schatten in das Gehirn. Das macht alles viel
komplizierter, als es ganz am Anfang war: als es Licht ward (Genesis 1,
3). Welches Licht soll denn werden? Soll man bei Orange einschlafen,
damit das Hirn anderntags leistungsfähiger ist? Oder sollte man lieber
von der Lichtorgel lassen? Russel Van Gelder (Seattle), Hirnforscher,
Augenarzt und Mitglied der Blue Light Group, mahnt zu Vorsicht: „Könnten
wir unsere Gesundheit schädigen, indem wir die Welt mit Wellenlängen
verseuchen, die wir von unserer Evolution her nicht gewohnt sind?“
Wer
bestimmt, was zum Stand des Wissens gehört, wie sicher ist dieser und
auf wie lange Zeit? Eine Expertenrunde diskutierte die mögliche
Zerstörung einer Säule der Zivilisation.
von Michael Freund
Es wäre ein guter Stoff
für ein Theaterstück: ein Professor, der seinen Studenten erzählt, was
sie alles nicht wissen und was sie lieber vergessen sollten, weil es mit
Wissen nichts zu tun hat.
Tatsächlich sprach der Soziologe Armin Nassehi von der Uni München
auf der Bühne des Burgtheaters über seine Einführungsvorlesung,
allerdings im Rahmen der Matineereihe "Debating Europe" am vergangenen
Sonntag. "Zerstörung des Wissens?" lautete das Thema, und Moderator
Nicholas Lemann, Journalismusprofessor und ehemaliger Dekan an der
Columbia Journalism School, wollte von den Teilnehmern vorneweg wissen, ob das Fragezeichen überhaupt berechtigt sei. Krise der Wissenschaft Ja, und es sei auch nicht neu, antwortete Cornelia Klinger von
Institut für die Wissenschaften vom Menschen das gemeinsam mit der Erste
Stiftung, dem Burgtheater und dem STANDARD die Diskussion
veranstaltete. Schon vor 80 Jahren habe Husserl in Wien von der Krise der Wissenschaften gesprochen, im Zusammenhang mit dem
Fortschritt der Formal- und Naturwissenschaften. Der sei seither um
einiges evidenter geworden bis hin zu einer Verselbstständigung wie beim
Zauberlehrling. Die Frage bleibe also, ob hier nicht Wesentliches
verlorengehe, nämlich Orientierung in unserer Lebenswelt.
Dem hielt Nassehi, wie schon im Interview vergangenen Freitag im STANDARD,
entgegen, dass scheinbar gesicherte Kenntnisse jeweils neueren Platz
machen würden und dass das gut sei - so komme Fortschritt zustande, und
so zeige sich auch, dass der Unterschied zwischen akademischem und
Alltagswissen so groß nicht sei. Wenige Ansichten gesichert Auch Lawrence Lessig, Jusprofessor an der Harvard Universität, wies
darauf hin, wie viele Ansichten vor 100 Jahren als gesichert galten und
wie wenige von ihnen es heute noch sind. Unabhängigkeit der Forscher und
Zugang zu allen Daten seien die Voraussetzungen, um Pseudowahrheiten
aus den Angeln zu heben. Gesellschaftliche Veränderungen ebenfalls, ergänzte Klinger: Durch
die Straße sei die Emanzipation der Frauen errungen worden, die
Wissenschaft habe erst nachher ihre Auffassungen von der emotionalen
Grundstimmung und daher politischen Unreife der Frauen revidiert. Nur am Rande streifte die Diskussion den Themenkomplex der digitalen
Suchmaschinen und der dadurch eventuell entstehenden Gefahr für Wissen,
obwohl vier der Diskutanten an einer Tagung darüber teilgenommen hatten. Dafür ging es ihnen hier um so deutlicher um die Frage, wie wissenschaftliche Forschung gefördert wird und mit welchen Resultaten. Pendelbewegung Für Sara Miller McCune
ist es der traditionelle Prozess von Qualitätssicherung - Peer Reviews,
entsprechende Veröffentlichungen -, die eine Kontinuität
wissenschaftlichen Fortschritts gewährleistet. Als Gründerin und Chefin
von Sage Publications konnte sie die Pendelbewegungen von Förderungen
über fünf Jahrzehnte beobachten. Sie könne unterstützen, was sie für
wertvolle Anliegen halte, aber sie sehe auch, dass Leute mit weit mehr
Geld Gegenteiliges förderten.
Konkreter wies Lessig darauf hin, dass Ökonomen den Crash von 2008 nicht vorhergesehen hätten - weil sie in den Taschen von Goldman Sachs
und der Wall Street insgesamt steckten.* Die amerikanische
Öffentlichkeit müsse einsehen, dass staatliche Förderung hier eine gute
Alternative darstellen könnte. Nicht so sehr, ob öffentliche oder private Förderung, sei die Frage,
warf Klinger ein, vielmehr gehe es darum, für welche Ziele Gelder
freigemacht würden. Und da unterscheide sich Europa leider nicht sehr von den USA. Und die Medien?
Lemann war einerseits skeptisch - die Klick-Hörigkeit nehme zu
Ungunsten gründlicher Recherche zu. Andererseits mache ihm Mut, dass seriöse Quellen auch im Netz immer noch gefragt sind. Was aber wir heute
für gesichertes Wissen halten, so Lessig, würden unsere Enkel nur
lächerlich finden. Das sollte uns bescheiden machen.
*) Das ist platt. Die Ökonomen im Staatsdienst sind auch nicht klüger. Warum nicht? Weil sie zwar als einzigen Zweck und Maßstab ihrer Wissenschaft das Machen von Prognosen angeben - aber genau daran ebenso versagen wie beim Verstehen der modernen Gesellschaft (das freilich gar nicht erst ihr Ehrgeiz ist). JE
Nota. Wissenschaft ist wesentlich öffentliches Wissen. Warum? Weil Öffentlichkeit allgemeinst-mögliche und dabei permanente Kritik bedeutet. Das ist ein Selbstreinigungsprozess mit Krisen und Krämpfen, mal tut sich ewig nichts, und dann stürzen ganze Weltentwürfe ein. Seit es Wissenschaft gibt, ist das so, oder richtiger: Seit das so ist, gibt es Wissenschaft. JE
aus derStandard.at,6. April 2014, 17:05 Nanoteilchern in der Laserfalle (künstlerisch)
Wie ein Nanoteilchen am zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kratzt Forscher untersuchten ein ungewöhnliches Phänomen in der Laserfalle: Die Wärmeübertragung von kalten zu warmen Nanoteilchen
Wien
- Objekte mit Größen von wenigen Nanometern, etwa molekulare Bausteine
lebender Zellen oder nanotechnologische Elemente, sind laufend
zufälligen Zusammenstößen mit den
sie umgebenden Molekülen ausgesetzt. In diesem mikroskopisch kleinen
Umfeld werden die fundamentalen Gesetze der Thermodynamik neu
geschrieben. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Uni Wien
entdeckte nun, wie ein mit Laserlicht gefangenes Nanoteilchen den
zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt - ein Umstand, der auf der
herkömmlichen Zeit- und Längenskala unmöglich ist. Die Ergebnisse wurden
aktuell im Fachjournal "Nature Nanotechnology" veröffentlicht.
In der Natur gibt es viele Prozesse, die man nicht umkehren kann. Das
physikalische Gesetz, das irreversibles Verhalten beschreibt, ist der
berühmte zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der auf den
österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann zurückgeht. Er besagt, dass
sich die Entropie eines Systems – ein Maß für dessen Unordnung – niemals
spontan verringern kann und daher die Unordnung (hohe Entropie)
gegenüber der Ordnung (niedrige Entropie) bevorzugt wird.
Seltene Ereignisse in Nano-Systemen
"Wenn wir jedoch in die mikroskopische Welt der
Atome und Moleküle hineinzoomen, wird diese Aussage abgeschwächt und
verliert ihre absolute Gültigkeit. Denn auf der Nanoskala kann der
zweite Hauptsatz in der Tat vorübergehend verletzt werden", sagt
Christoph Dellago, Professor für Computational Physics an der Universität
Wien. "Seltene Ereignisse treten ein, die man in unserer
makroskopischen Alltagswelt niemals beobachten würde, wie z.B. die
Übertragung von Wärme von einem kalten zu einem warmen Körper". Obwohl
der zweite Hauptsatz der Thermodynamik im Mittel selbst in Nano-Systemen
gültig bleibt, sind die Forscher fasziniert von diesen seltenen
Ereignissen und wollen mehr über die Bedeutung und den mikroskopischen
Ursprung der Irreversibiltät in Nano-Systemen in Erfahrung bringen.
Kürzlich gelang es einem Team um Dellago, die Wahrscheinlichkeit, mit
der der zweite Hauptsatz der Thermodynamik zeitweise verletzt wird,
präzise vorherzusagen. Das von den
Forschern mathematisch hergeleitete Fluktuationstheorem wurde sofort
auf die Probe gestellt: Experimentalphysiker des Instituts für
Photonische Wissenschaften in Barcelona und von der ETH Zürich benutzten eine Falle aus Laserlicht, um eine winzige Glaskugel
mit einem Durchmesser von weniger als hundert Nanometer schweben zu
lassen. Der experimentelle Aufbau erlaubte dem Forscherteam, die
Nanokugel zu fangen und festzuhalten und darüber hinaus ihre Position in
allen drei Raumrichtungen mit unglaublicher Genauigkeit zu messen.
Thermisches Gleichgewicht
In der Falle wird die Nanokugel durch Zusammenstöße mit den sie
umgebenden Gasmolekülen herumgeschleudert. Durch eine Manipulation der
Laserfalle kühlten die Wissenschafter die Nanokugel auf eine geringere
Temperatur als die des umgebenden Gases ab – das Nanoteilchen befand
sich daher nicht mehr in einem thermischen Gleichgewicht. Nach
Abschalten der Kühlung beobachteten die Forscher, wie sich das
Nanoteilchen durch die Energieübertragung der Gasmoleküle erwärmte und
so wieder in ein thermisches Gleichgewicht überging. Dabei stellten die
Forscher fest, dass die winzige Glaskugel sich manchmal, wenn auch
selten, nicht so verhielt, wie man es nach dem zweiten Hauptsatz
erwarten würde: Gelegentlich gab die Nanokugel auch Energie an die
wärmere Umgebung ab, anstatt Wärme von ihr aufzunehmen. Die von den
Forschern zur Auswertung ihres Experiments hergeleitete Theorie steht in
Einklang mit der allgemeinen Vorstellung, welche Grenzen der zweite
Hauptsatz auf der Nanoskala erfährt.
"Dieser experimentelle und theoretische Rahmen hat breite
Anwendungsmöglichkeiten. Durch den technologischen Fortschritt werden
wir immer kleinere Nanomaschinen produzieren können und je kleiner diese
sind, desto stärker werden sie die Wirkung der thermischen Bewegung
ihrer Umgebung spüren", so Dellago. Fortführende Studien sollen nun die
fundamentalen physikalischen Eigenschaften von Nano-Systemen, die sich
nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, genauer unter die Lupe
nehmen. Die Forscher wollen so einen grundlegenden Beitrag zum
Verständnis, wie Nanomaschinen unter fluktuierenden Bedingungen
funktionieren, leisten.
Wenn wir uns nun aber ernsthaft die Vorstellung aus dem Kopf schlagen, dass die ganze Welt von Natur- gesetzen regiert wird - hieße das, dass Alles nur Zufall und dass "Alles möglich" ist? Nein, es heißt nur, dass das, was so und nicht anders ist, eben so und nicht anders ist -undmehr nicht. Es bedeutet lediglich, dass hinter dem so-ist nicht noch irgendetwas anderes steckt. JE
