Gefahren rechtzeitig erkennen.

aus derStandard.at, 12. Februar 2019

Wie das Gehirn lernt, Gefahren rechtzeitig vorauszusehen 
Forscher fanden heraus, dass die neuronale Verbindung zwischen Hypothalamus und den lateralen Habenulae entscheidend ist

Lausanne/Innsbruck – Ein lauter Knall reicht oft, um einen Fluchtreflex auszulösen. Anhand bestimmter Reize eine Gefahr voraussehen zu können, ist überlebenswichtig. Aber wie lernt das Gehirn, wann es gilt, die Flucht zu ergreifen? Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung von Innsbrucker Wissenschaftern ist dieser Frage nachgegangen und hat die Ergebnisse im Fachblatt "Neuron" veröffentlicht.

Die Wissenschafter um Manuel Mameli von der Universität Lausanne spielten Mäusen fünf Tage lang wiederholt einen Ton vor – danach bekamen die Tiere einen leichten Elektroschock verpasst. Im Laufe der Zeit lernten die Nager, schon beim Erklingen des Tons die Flucht zu ergreifen. Die Analysen zeigten, dass die Synapsen – Verbindungsstellen zwischen Neuronen – zwischen zwei bestimmten Hirnstrukturen während des Lernens immer effizienter funktionierten: zwischen dem Hypothalamus und den lateralen Habenulae.

Verbindung getrennt

Die auch Epiphysenstiele genannten Habenulae im Zwischenhirn spielen bei der Kontrolle von Verhalten eine Rolle, insbesondere auch in Zusammenhang mit negativen Emotionen. Der Hypothalamus ist eine wichtige Schaltzentrale für verschiedene Körperfunktionen, spielt aber auch für die Reaktion angesichts einer Bedrohung eine wichtige Rolle.

In einem weiteren Schritt und mit Unterstützung von Harumi Harada und Francesco Ferraguti von der Medizinischen Universität Innsbruck und Kollegen in Japan gelang es, die neuronale Verbindung zwischen dem Hypothalamus und den lateralen Habenulae spezifisch zu inaktivieren. Das hatte zur Folge, dass die Mäuse weniger gut lernten: Nach drei Tagen gelang es ihnen nur in sechs von 30 Fällen, dem Elektroschock nach dem Erklingen des Tons auszuweichen. Den Mäusen mit funktionierender Verbindung zwischen den beiden Hirnstrukturen gelang dies dreimal häufiger.

Einfluss auf psychische Erkrankungen

Weitere Untersuchungen ergaben, dass für den Lernprozess sogenannte Rezeptoren an den Synapsen der Habenulae eine Rolle spielen, die durch den Neurotransmitter Glutamat aktiviert werden. Es sei somit ein sehr präziser neuronaler Schaltkreis zwischen Hypothalamus und den lateralen Habenulae sowie die Aktivierung der Rezeptoren durch Glutamat, die es der Maus ermöglichten, die Verbindung zwischen dem Geräusch und der Gefahr zu erlernen und die Flucht zu ergreifen, berichten die Forscher.

Die Studienresultate könnten dazu beitragen, bestimmte psychische Erkrankungen besser zu verstehen: Die lateralen Habenulae spielen beispielsweise auch bei Depressionen eine Rolle. "Man hat herausgefunden, dass Patienten, die mit einem äußeren Reiz konfrontiert sind, Schwierigkeiten haben, das damit verbundene Gefahrenniveau einzuschätzen und angemessen zu reagieren", so Mameli.

In früheren Studien konnte sein Team bereits zeigen, dass tiefe Hirnstimulation im Bereich der lateralen Habenulae depressive Symptome bei Nagetieren lindern können. Nun wollen die Forscher genauer untersuchen, wie depressive Mäuse auf eine Bedrohung reagieren und die Notwendigkeit der Flucht vorhersehen können. (APA, red.)

---

Abstract
Neuron: "Punishment-Predictive Cues Guide Avoidance through Potentiation of Hypothalamus-to-Habenula Synapses"


Nota. - Was ist denn daran bemerkenswert? Dies: dass das Gehirn nicht erst 'wahrnimmt' und dann das Wahrgenommene nach allen Regeln analysiert und 'versteht', sondern vorab auf dieses und jenes schon vorbereitet ist und es 'erwartet'. Was 'wahrgenommen' wird, ist schon nach (einigen) Wertungen sortiert, bevor es wahrgenommen wird.

Wenigstens was die Gefahren anlangt, hatten wir sowas schon erwartet, nicht wahr? Aber es ist gar nicht trivial. Dass das überhaupt möglich ist, hat systematische Bedeutung.
JE

Eine neue, noch dunklere Energie?

aus spektrum.de, 5. 2. 2019

Urknall und Kosmologie:  
Quasare sprechen für neue extreme Dunkle Energie

Seit Jahrzehnten streiten Kosmologen über die Expansionsgeschwindigkeit des Alls. Eine neue Messung könnte den Streit auflösen – und nebenbei das kosmologische Weltbild über den Haufen werfen.

von Andreas Müller   

Seit das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren im Urknall entstand, war seine Entwicklung Spielball von kosmischen Materie- und Energieformen. Die uns vertraute gewöhnliche Materie, nämlich die Atome, die uns umgeben, spielen dabei so gut wie keine Rolle. Dies gehört zu den wichtigsten Entdeckungen der Astrophysik im 20. Jahrhundert. Laut dem Standardmodell der Kosmologie, das durch zahlreiche Beobachtungen gestützt wird, prägen vor allem rätselhafte dunkle Komponenten die Entwicklung des Universums. Anfangs spielte die Dunkle Materie die Hauptrolle: Sie sorgte dafür, dass sich mittels Gravitation Galaxienhaufen bilden konnten.

Dann trat die Dunkle Energie auf den Plan, eine Art Antischwerkraft: Sie mauserte sich erst im Lauf mehrerer Milliarden Jahre zum dominanten Beeinflusser. Nun treibt sie das Universum immer weiter auseinander. Seit 1998 ist bekannt, dass sich die Expansion sogar beschleunigt: Ferne Galaxien fliegen ausnahmslos von uns weg – und das umso rascher, je weiter sie entfernt sind.

Die Kosmologen können das am besten mit der kosmologischen Konstante beschreiben, die Albert Einstein 1917 einführte und die in Form der Dunklen Energie 1998 ein Comeback erfahren hat. Die meisten Experten gehen seitdem davon aus, dass die Energiedichte der rätselhaften Antischwerkraft überall und für alle Zeiten konstant ist. Die Expansionsgeschwindigkeit nimmt diesem Modell zufolge trotzdem zu, schließlich entfernen sich die Materiehaufen, deren Gravitation der Ausdehnung entgegenwirkt, immer weiter voneinander. Aber ist die Dunkle Energie wirklich so statisch wie angenommen? Immer wieder stellen Kosmologen und Teilchenphysiker diese Annahme in Frage. 

Nun könnte die Säule des gegenwärtigen Weltbilds der Kosmologie erstmals einen sichtbaren Riss bekommen haben: Die Astronomen Guido Risaliti von der Universität Florenz und Elisabeta Lusso von der Universität Durham haben die energiereiche Strahlung von Quasaren zur Entfernungsbestimmung und zur Messung der Dunklen Energie genutzt, wie sie in der Zeitschrift »Nature Astronomy« beschreiben. Dabei entdeckten sie, dass sehr weit entfernte Quasare eine andere Form der Dunklen Energie nahelegen als die bislang favorisierte.

Risaliti und Lusso nutzten für ihre Analyse 1598 Quasare, die mit den Röntgenteleskopen XMM-Newton und Chandra sowie dem Sloan Digital Sky Survey und dem Swift-Teleskop untersucht wurden. Die kosmologische Rotverschiebung, die ein Maß für die Entfernung ist, rangierte zwischen Werten von 0,04 und 5,1, was einer Zeit von 1,2 und 13,2 Milliarden Jahren nach dem Urknall entspricht. Damit blickten sie in eine Epoche, aus der es bisher nur wenige genaue Messungen gibt: Die besten Daten der Kosmologie stammen entweder aus der jüngeren Vergangenheit oder aus der Zeit 380 000 Jahre nach dem Urknall, als das junge All die kosmische Hintergrundstrahlung freisetzte.

Quasare sind extrem helle Kerne von Galaxien, deren Leuchtkraft durch den Einfall von Materie auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch gespeist wird. Die Löcher haben Massen im Bereich von hundert Millionen bis eine Milliarde Sonnenmassen und gehören zu den größten des Universums. Durch die Quasar-Maschine leuchten die Galaxienkerne über den gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Entscheidend für die nun gemachten Messungen waren die Ultraviolett- (UV) und Röntgenstrahlung.

Die UV-Strahlung des Quasars entsteht im Materiestrudel um das Schwarze Loch, der flachen Akkretionsscheibe. Durch den Einfall der Materie wird potenzielle Energie in Wärme umgewandelt, die die Scheibe aufheizt. Die UV-Strahlung ist letztlich Wärmestrahlung des heißen Plasmas in der Scheibe. Die Röntgenstrahlung kommt aus einer anderen Region rund um das Schwarze Loch, nämlich aus einer Ansammlung eines noch heißeren Plasmas, der Korona, das vor allem aus schnellen Elektronen besteht.

Dieses heiße Koronagas befindet sich in der Nähe der Akkretionsscheibe. Die genaue Geometrie ist noch nicht geklärt. Die UV-Strahlung der Scheibe dringt jedenfalls in die Korona ein und nimmt durch Streuung Energie der Elektronen auf. Danach hat die Strahlung Energie gewonnen und liegt daher im Röntgenbereich. Beide, UV- und Röntgenstrahlung, kommen aus dem Herzen des Quasars.

Risaliti und Lusso fanden schon 2015 eine Relation, die es ihnen erlaubt, die Helligkeit des Quasars vor Ort zu ermitteln; Astronomen sprechen von Leuchtkraft. Vergleicht man sie mit der Helligkeit eines Objekts in einem irdischen Teleskop, lässt sich so die Entfernung zum Quasar bestimmen. 

Genauso wie veränderliche Cepheiden-Sterne oder Supernovae vom Typ Ia können die aktiven Galaxienkerne somit als »Standardkerzen« verwendet werden. Das klappt wegen ihrer enormen Helligkeit sogar bei gewaltigen Entfernungen, bei denen andere Methoden versagen.

Das könnte Sie auch interessieren:  

Spektrum Kompakt: Frühes Universum – Die Kinderzeit des Kosmos 

Um die Verlässlichkeit der neuen Quasarmethode zu überprüfen, verglichen sie Risaliti und Lusso bei geringer Entfernung mit dem Supernova-Verfahren, was gute Übereinstimmungen lieferte. Für den Bereich großer Entfernungen offenbarte die neue Methode eine Überraschung: Je weiter ein Quasar entfernt ist, je weiter er also in der kosmischen Vergangenheit liegt, desto weniger stark war er von der Dunklen Energie erfasst worden. Die Energiedichte der mysteriösen Energieform nehme also mit der Zeit zu, folgern die beiden Astrophysiker.

Sollte sich der Befund erhärten lassen, wären die Folgen enorm: Damit wäre die Dunkle Energie nicht mehr mit Einsteins kosmologischer Konstante zu beschreiben, sondern als Phantomenergie. Sie würde für einen Zerriss des Universums in ferner Zukunft sorgen, den »Big Rip« – zumindest sofern sie sich künftig nicht wieder abschwächt. Die neuen Quasardaten legen auch nahe, dass die Energiedichte von gewöhnlicher und Dunkler Materie zusammengenommen höher ist als bisher angenommen – mehr als 40 Prozent an Stelle der bislang zugedachten 30. Die neuen Messungen könnten auch einen zähen Streit in der Kosmologie auflösen: Andere Methoden zur Bestimmung der kosmischen Expansionsgeschwindigkeit kommen zu unvereinbaren Ergebnissen. So herrscht Uneinigkeit über den Wert der so genannten Hubble-Konstanten, mit der Forscher die Ausdehungsrate des Alls angeben.

Eine variable Dunkle Energie könnte den Streit beilegen. In der Community herrscht allerdings noch Skepsis vor: Die Kollegen von Risaliti und Lusso fragen sich, ob die beiden die systematischen Fehler der neuen Methode gut genug verstanden haben. Aufregend sind die neuen Erkenntnisse aber allemal. Es bleibt nun abzuwarten, ob weitere Beobachtungen ein neues Zeitalter der Dunklen Energie einläuten können. 

Fisch mit Selbstbewusstsein.

aus Die Presse, Wien, 8. 2. 2019                                     Der Gemeine Putzerfisch (Labroides dimidiatus) sieht sich im Spiegel

Ich bin es, der Fisch: So viel Selbstbewusstsein verstört Forscher
Zoologie. Der Putzerfisch erkennt sich offenbar selbst im Spiegel. Das wirft unsere Hierarchie der geistigen Fähigkeiten von Tieren über den Haufen.

Von Karl Gaulhofer

Am Anfang taten die Tiere noch das, was die Wissenschaft von ihnen erwartete. Die Gemeinen Putzerfische attackierten ihre Konterfeis im Spiegel, den das deutsch-japanische Zoologenteam ins Aquarium gestellt hatte. Bald aber realisierten sie, dass der vorgespiegelte Artgenosse kein Eindringling in ihren Schwarm war. Und führten seltsame Tänze auf: Manche drehten sich kurz um, mit dem Bauch nach oben, was sonst kein gesunder Fisch macht. Ganz so, als wollten sie testen, ob das Spiegelbild die Bewegung mit vollzieht – Grimassen oder Gesten fallen dafür bei ihnen ja aus. In einer dritten Phase verharrten sie dann ganz ruhig vor dem Spiegel und schauten sich selbst lange an.

Wirklich „sich selbst“? Um das zu klären, injizierten ihnen die Forscher ein wenig Farbe unter die Haut, an einer für sie nicht sichtbaren Stelle. Der braune Fleck sah aus wie die Parasiten, die der Putzerfisch sonst von der Haut von Wirtsfischen putzt. Was machten sie, als sie den Fleck im Spiegel entdeckten? Sie drehten sich immer wieder in eine Position, in der sie ihn gut betrachten konnten, und schwammen dann zum rauen Beckengrund, um ihn von der Kehle oder der Seite wegzukratzen. 

Die Forscher aber kratzten sich am Kopf. Sie waren verwirrt. Denn das mit dem Farbfleck gilt als Lackmustest dafür, ob ein Tier sich selbst erkennt, so wie wir Menschen. Nur eine Handvoll Arten besteht den Test: Menschenaffen, asiatische Elefanten, Delfine und Elstern (als einzige Vögel). Es sind Tiere mit bekannt hoher Intelligenz. Alle anderen fallen durch, auch viele Affen oder die sonst so schlauen Papageien, die sogar ansatzweise logisch denken können. 

Rotkehlchen etwa hören nicht auf, mit dem Schnabel wütend auf den Spiegel zu hämmern. Hunde und Katzen sind erst verwirrt über das Spiegelbild, später ignorieren sie es. Und Fische? Sie gelten unter den Wirbeltieren, salopp gesagt, nicht gerade als die Hellsten. Dass nun ein sozial kompetenter, aber sonst unauffälliger kleiner Knochenfisch alle Phasen des Tests besteht und sich funktional genauso verhält wie hoch entwickelte Menschenaffen, wirft die von der Biologie entworfene kognitive Hierarchie über den Haufen. Man merkt den Autoren der Arbeit (Plos Biology, 7. 2.) an, dass sie ihrer eigenen Entdeckung nicht so recht trauen. 

Ist der Spiegeltest überholt? 

Aber bei der Versuchsanordnung haben sie alles richtig gemacht, auch sauber kontrolliert. So setzten sie den Versuchstieren zum Vergleich fremde Artgenossen hinter normalem Glas vor – und vor ihnen drehten sie sich nicht auf den Bauch. Am heikelsten ist sicher die Injektion der Farbe: Sie könnte nicht nur einen visuellen Reiz auslösen, sondern auch schmerzen oder jucken (Landtieren klebt man einfach einen Fleck auf, aber das geht bei der schleimigen Haut von Fischen nicht). Um Fehldeutungen auszuschließen, haben die Wissenschaftler einigen Fischen einen farblosen Stoff gespritzt. Das Ergebnis: Sie versuchten nicht, etwas abzukratzen.

Also auch hier: Haken drunter. Ist womöglich der Spiegeltest nicht brauchbar, obwohl die ganze Zunft seit einem halben Jahrhundert auf ihn setzt? Schwer verunsichert, zogen die Forscher einen renommierten Primatologen bei. Bei seinen Schimpansen hat Frans de Waal keine Zweifel. Wenn er an schönen Tagen eine Sonnenbrille aufsetzt, nutzen die Affen sie als Spiegel, stochern davor in ihrem Mund rum oder betrachten eine Verletzung am Rücken. Menschen würden es nicht anders machen. Aber für alle anderen Tierarten kritisiert de Waal die übliche Vorstellung, es gehe beim Ich-Bewusstsein um ein „Alles oder nichts“.

Auch wenn unsere Sprachen das nahelegen: Entweder man sieht „sich“ im Spiegel oder eben etwas anderes, mehr Möglichkeiten scheint es nicht zu geben. Eine semantische Falle? 

Auch menschliche Babys werden wohl nicht von einem Moment zum anderen vom Blitz der Selbsterkenntnis getroffen. Also plädiert de Waal für eine stärkere Abstufung. Die variantenreichen Reaktionen auf das Abbild im Spiegel legen das nahe. Und wie steht es um den Putzerfisch? Ihn solle man vorläufig zwar recht hoch einstufen, aber doch unterhalb der Menschenaffen. Bei ihnen bieten sich übrigens neue Themen an. Machen sie sich für andere schön? Ein Orang-Utan-Weibchen hat man schon dabei beobachtet, wie es vor dem Spiegel seinen Kopf mit Salatblättern verzierte.


Nota. - Eine semantische Falle - ja, das wird's sein. Unser Ausdruck ich oder gar das Ich der Philosophen bedeutet ja mehr als nur, dass dieser Körper "derselbe" ist wie jener Körper. Von Selbst bewusstsein ist daher die Rede, oder wenigstens, würde der Verhaltensforscher sagen, von Selbst gefühl. Diese beiden werden vom Spiegeltest allerdings nicht erwiesen, sondern das bloße Wiederkennen einer Körpergestalt.

Wo liegt der Unterschied? Zum Selbstbewusstsein gehört ein Wollen; aber vor allem gehört dazu das Wis- sen von dem Wollen. Denn erst so kann das Subjekt sich gegen sich kehren - und ipso facto ein Subjekt werden.
JE

Dem Bewusstsein auf der Spur.

aus scinexx

Blick ins bewusstlose Gehirn Aktivitätsmuster ermöglichen Unterscheidung zwischen Bewusstsein und Bewusstlosigkeit

Wach oder bewusstlos? Dies sicher festzustellen, ist schwieriger als man meinen könnte. Nun haben Forscher jedoch Gehirnmuster identifiziert, die für Menschen mit und ohne Bewusstsein charakteristisch sind. Demnach unterscheidet sich die Aktivität und Verknüpfung einzelner Hirnregionen bei diesen beiden Zuständen deutlich. Die nun identifizierten Muster könnten daher in Zukunft als eine Art Fingerabdruck fungieren, um zu erkennen, ob beispielsweise Patienten mit Hirnverletzungen noch bei Bewusstsein sind oder nicht.

Jeden Tag aufs Neue gleiten wir in einen Zustand der Bewusstlosigkeit: Wir schlafen – und bekommen dann nichts mehr von unserer Umgebung mit. Doch nicht nur der Schlaf kann uns das Bewusstsein rauben. Etwas ganz Ähnliches passiert, wenn wir Narkosemittel verabreicht bekommen oder eine schwere Hirnverletzung erleiden.

• Bewusstsein?

Gerade in einer solchen Situation ist es häufig allerdings schwierig zu beurteilen, ob ein Patient wirklich vollständig bewusstlos ist, oder doch noch etwas von seiner Umwelt wahrnimmt. So gab es in der Vergangenheit immer wieder Fälle, bei denen Menschen bei vollem Bewusstsein in ihrem Körper gefangen waren – von Außenstehenden aber für bewusstlos gehalten wurden.

Fahndung nach eindeutigen Signalen

Wie also lässt sich verlässlich zwischen Bewusstsein und Bewusstlosigkeit unterscheiden? Athena Demertzi von der Universität Lüttich und ihre Kollegen haben sich nun auf die Suche nach eindeutigen Signalen im Gehirn gemacht: Sie verglichen die Hirnaktivität von gesunden Menschen, narkotisierten Personen und Patienten im Wachkoma – von Forschern auch „Syndrom reaktionsloser Wachheit“ genannt.

Konkret untersuchten sie das Gehirn der insgesamt 159 Probanden mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT). Auf diese Weise konnten sie die Aktivität von 42 Schlüsselregionen im Gehirn nachvollziehen, die Teil von sechs Netzwerken sind, die eine wichtige Rolle für die Kognition spielen. Insbesondere interessierte das Wissenschaftlerteam dabei, wie stark die einzelnen Bereiche vernetzt waren und miteinander kommunizierten.

Aktivitätsmuster bei Bewusstsein und Bewusstlosigkeit 

Charakteristische Muster 

Bei der Analyse der Hirnaktivität zeichnete sich ab: Offenbar gibt es vier charakteristische Aktivitätsmuster, die immer wieder auftauchen und sich teils deutlich voneinander unterscheiden. Vor allem Muster 1 und Muster 4 schienen dabei aufschlussreich zu sein, wie Lüttich und ihre Kollegen berichten.

So tauchte Muster 1 am häufigsten bei Personen auf, die gesund und bei vollem Bewusstsein waren. Zwar waren bei ihnen von Zeit zu Zeit auch andere Muster zu sehen – doch ihr Gehirn kehrte immer wieder und über lange Zeiträume in diesen einen Zustand zurück. In diesem Modus kommunizierten einzelne Hirnbereiche dynamisch und auch über größere Distanzen miteinander und es waren komplexe Verknüpfungsmuster zu erkennen.

Weniger komplex und flexibel

Bei den nicht reagierenden Wachkoma-Patienten zeigte sich den Forschern zufolge dagegen ein anderes Bild: Das für sie typische Muster 4 zeichnete sich dadurch aus, dass zwischen den einzelnen Hirnbereichen nur eine geringe funktionelle Verkopplung bestand. Zudem blieb ihr Gehirn in der Regel in diesem Zustand und wechselte anders als das bewusste Gehirn nicht oder nur sehr selten zu anderen Hirnkonfigurationen. Kurzum: Es schien weniger flexibel zu sein.

Narkotisierte Probanden fielen ebenfalls häufiger in dieses weniger komplexe Aktivitätsmuster. Dies untermauere seine Bedeutung für die Bewusstlosigkeit, schreiben Demertzi und ihre Kollegen. Umgekehrt zeigten weitere Experimente, dass Muster 1 auch bei nur scheinbar bewusstlosen Patienten auftaucht, die nicht kommunizieren können, aber sehr wohl etwas von ihrer Umwelt mitbekommen. Lösten diese Personen mentale Aufgaben, fiel ihr Gehirn ebenfalls in diesen charakteristischen Modus.

Wie ein Fingerabdruck

Die Wissenschaftler hoffen nun, dass ihre Ergebnisse in Zukunft dazu beitragen, eindeutige Biomarker zu identifizieren, die die Unterscheidung zwischen bewusst und unbewusst ermöglichen. „Unsere Studie zeigt, dass Bewusstsein eng mit der Fähigkeit des Gehirns verknüpft ist, eine reiche Dynamik aufrechtzuerhalten. Zudem könnte sie den Weg ebnen, spezifische und allgemein gültige Fingerabdrücke bewusster und unbewusster Zustände zu identifizieren“, schreiben sie. (Science Advances, 2019; doi: 10.1126/sciadv.aat7603)

Quelle: AAAS
7. Februar 2019

 - Daniela Albat

Nota. - Dass das Gehirn wie jeder Muskel unterschiedliche Aktivitätsgrade aufweist, versteht sich von selbst. Dass es dabei nicht nur quantiativ, sondern auch qualitativ unterschiedliche Aufgabe bewältigt, liegt angesichts seiner eigenen Komplexität nahe. Da wir es da mit Denken zu tun haben, wundert es nicht, dass die Menschheit hier ihr Fine fleur erkennt, die sie vor allen andern Lebewesen auszeichnet.



Das wäre alles kein Problem, wenn nicht die Philosophen seit gut zweihundert Jahren von dem Bewusstsein soviel Aufhebens gemacht hätten. Sie meinten damit nicht diesen oder jenen Aktivitätsgrad des Denkorgans, sondern eine besondere Qualität, eine Substanz, die im Hirn zwar gegebenenfalls Unterkunft findet, an sich aber geistiger Natur und daher nicht messbar ist. 

In der Hirnforschung ist diese Vorstellung unbrauchbar. Doch in der Philosophie leider auch.
JE

 

Plasma - zwischen kalt und extrem heiß.

aus scinexx                                             Im dichten, heißen Plasma der Sonne sind die Atome vollständig ionisiert

Zwischen kalt und extrem heiß

Auf den ersten Blick hat die brodelnde Sonnenmaterie wenig mit Leuchtstoffröhren oder gar den kalten interstellaren Gaswolken gemeinsam. Dennoch handelt sich bei allen um ein Plasma. Denn wie heiß, wie dicht und wie leuchtend ein Plasma ist, hängt stark von den physikalischen Gegebenheiten ab.

Auf die Teilchen kommt es an

Ein Faktor ist der Ionisationsgrad: Während der Phasenübergang bei den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig relativ abrupt geschieht, läuft die Ionisation zum Plasma schrittweise ab. Erst nach und nach trennen sich die Elektronen von den Restatomen. Mit steigender Energiezufuhr nimmt dadurch der Anteil freier Elektronen und Ionen im Plasma zu. Besonders heiße Plasmen wie die Sonnenmaterie oder das Plasma in einem Fusionsreaktor sind nahezu vollständig ionisiert. Das Plasma in Gasröhren oder anderen technischen Anwendungen hat dagegen meist einen Ionisationsgrad von nur wenigen Prozent.

Ein zweites Unterscheidungsmerkmal ist das thermische Gleichgewicht des Plasmas. Dieses ist entscheidend dafür, wie heiß uns ein Plasma erscheint. Denn die Plasmatemperatur ergibt sich aus den kombinierten Energien der verschiedenen Teilchensorten in ihm – und diese müssen nicht gleich sein. Entsteht das Plasma unter hohem Druck aus komprimierten Gasen, wie im Inneren der Sonne, dann sind Elektronen und Ionen dicht gedrängt und kollidieren oft. Das führt zu einem ständigen Energieaustausch, der für eine einheitliche Temperatur aller Teilchen sorgt – das Plasma steht im thermischen Gleichgewicht und ist in der Regel sehr heiß.

In Neonleuchten und anderen Gasentladungslampen ist das Plasma nur gering ionisiert und nicht im thermischen Gleichgewicht, daher fühlt es sich nicht heiß an.

Kaltes Plasma

Wird ein Plasma dagegen aus einem eher dünnen, wenig komprimierten Gas erzeugt, haben auch die Ionen und Elektronen in ihm viel Platz. Dadurch findet nur wenig Energieübertragung zwischen den verschiedenen Teilchen statt. Die leichten, bei der Ionisation stärker aufgeheizten Elektronen behalten in einem solchen Niederdruckplasma eine deutlich höhere Temperatur als die schwereren Ionen – es kann sich kein thermisches Gleichgewicht einstellen. 

Die Gesamttemperatur eines solchen Plasmas liegt deshalb eher niedrig. In einer Quecksilberdampflampe beispielsweise sind die Elektronen bis zu 10.000 Grad heiß. Die Ionen haben dagegen nur wenig mehr als Raumtemperatur. Deshalb erscheint uns eine solche Plasmalampe beim Anfassen allenfalls warm. Genau dies ist auch der entscheidende Vorteil solcher „kalten Plasmen“: Sie eignen sich wegen ihrer eher geringen Hitze besonders gut für technische Anwendungen.

Doch es geht noch extremer: Anfang 2019 gelang es Wissenschaftlern erstmals, ein Plasma bis kurz über den absoluten Nullpunkt herunterzukühlen. Dabei nutzten sie die Technik der Laserkühlung, um die Eigenbewegung der Teilchen zu bremsen und so die Temperatur des Plasmas zu senken.

Vom Gas zum Plasma.

aus scinexx                                                                     Phasenübergänge der Aggregatzustände fest, flüssig, gasförmig und Plasma

Vom Gas zum Plasma

Wie man den vierten Materiezustand herstellt

Schon in der Schule lernen wir, dass es drei Aggregatzustände gibt: fest, flüssig und gasförmig. Die Atome oder Moleküle eines Stoffs verändern dabei je nach Druck und Temperatur ihr Verhalten. Doch bereits 1927 entdeckte der US-Chemiker Irving Langmuir, dass es jenseits dieser drei Phasen der Materie noch eine weitere gibt – das Plasma.

„Befreite“ Elektronen

Die Bildung von Plasma beruht auf einem Phasenübergang – einem Zustandswechsel der Materie. Ein solcher Übergang findet auch beim Auftauen von Wassereis oder dem Verdampfen von flüssigem Wasser statt. Der Grund ist die Reaktion der Wassermoleküle auf die Energiezufuhr: Je mehr Energie zugeführt wird, desto stärker bewegen sich die Wassermoleküle – und desto loser werden die Bindungen zwischen ihnen. In Eis sind sie noch relativ eng und fest durch Wasserstoffbrücken miteinander verknüpft, doch im flüssigen Wasser werden diese Bindungen länger und weniger. Führt man nun noch mehr Hitze zu, entsteht Wasserdampf. In ihm besitzen die H2O-Moleküle so viel Energie, dass sie stark vibrieren und durcheinanderrasen – sie werden zum Gas.

Doch was passiert, wenn man einem Gas noch mehr Energie hinzufügt? Die Atome bewegen sich zunächst noch stärker und kollidieren häufiger miteinander. An einem bestimmten Punkt jedoch wirkt sich die zunehmende Energie auch auf die Atome selbst aus: Die Elektronen werden auf weiter außen liegende und damit energiereichere Orbits um den Kern angehoben. Hält nun die Energiezufuhr weiter an, kommt es zur Ionisation: Durch die Kollisionen werden Elektronen von ihren Atomen wegkatapultiert und fliegen frei im Gas umher. Es entsteht ein Gemisch aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen – ein Plasma.
 

Beim Blitz entsteht durch die enorme Spannung ein Plasma im Blitzkanal

Doch was passiert, wenn man einem Gas noch mehr Energie hinzufügt? Die Atome bewegen sich zunächst noch stärker und kollidieren häufiger miteinander. An einem bestimmten Punkt jedoch wirkt sich die zunehmende Energie auch auf die Atome selbst aus: Die Elektronen werden auf weiter außen liegende und damit energiereichere Orbits um den Kern angehoben. Hält nun die Energiezufuhr weiter an, kommt es zur Ionisation: Durch die Kollisionen werden Elektronen von ihren Atomen wegkatapultiert und fliegen frei im Gas umher. Es entsteht ein Gemisch aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen – ein Plasma

Hitze und elektrische Felder

Eine extreme Variante der Plasmabildung durch Hitze können wir in der Sonne und anderen Sternen beobachten. Temperaturen von mehreren Millionen Grad und ein Druck von Milliarden Atmosphäre komprimieren den Wasserstoff im Sonneninneren und trennen die Elektronen von den Protonen. Ein Teil der Protonen verschmilzt in der Kernfusion zu schwereren Elementen. Der Rest bildet ein heißes, dichtes und vollständig ionisierte Plasma – das Grundmaterial unseres Sterns.

Doch Hitze ist nicht der einzige Weg, um Plasma zu erzeugen: Auch durch starke elektrische Felder kann ein Gas in den Plasmazustand gebracht werden. Beobachten können wir dies unter anderem beim Blitzschlag, durch den sich die in Gewitterwolken angereicherte Spannung in Sekundenbruchteilen entlädt. Mit mehreren zehntausend Volt rast dabei der Blitz durch die Luft und verwandelt dabei die Luftmoleküle im Blitzkanal in ein heißes Plasma.

Weniger dramatisch, aber dafür alltäglicher, findet die Plasmabildung durch elektrische Felder in Leuchtstoffröhren statt. Auch hier sorgt elektrische Spannung für die nötige Energie, um Neon oder ein anderes Edelgas in Plasma zu verwandeln. Durch Kollisionen mit Elektronen werden die Gasatome ionisiert – allerdings nicht vollständig: Nur ein Teil der Neonatome hat ein Elektron verloren, andere Atome sind dagegen nur angeregt.

Auch das Polarlicht beruht auf Plasma. Sein Leuchten entsteht durch die Anregung und Ionisierung von Gasmolekülen

Was das Plasma zum Leuchten bringt

Das typische Leuchten vieler Plasmen kommt zustande, wenn sich die freien Elektronen wieder mit den Gasionen vereinen oder aber von einem höheren Orbit in den Grundzustand zurückfallen. Denn wie die klassischen drei Aggregatzustände ist auch der Plasmazustand weitgehend reversibel: Sinkt der Energiegehalt, rekombinieren sich Ionen und Elektronen und werden wieder zum neutralen Gas. Gerade bei Plasmen, die aus molekularen Gasen entstehen, kann es dabei allerdings auch zu chemischen Veränderungen kommen. Bei einem Blitz beispielsweise rekombinieren sich die Sauerstoffatome teilweise zu Ozon (O3) statt zu zweiatomigem Sauerstoff.

Plasma – der vierte Zustand der Materie.

aus scinexx

Plasma – der vierte Zustand der Materie

Plasma findet sich in der Sonne, in Polarlichtern und Blitzen, aber auch in so alltäglichen Objekten wie Leuchtstoffröhren. Dieser vierte Zustand der Materie entsteht, wenn man Atomen oder Molekülen Elektronen entreißt. Das Spannende daran: Plasma lässt sich ganz praktisch nutzen und eröffnet neue Möglichkeiten in Technik, Medizin und sogar der Raumfahrt.

Plasma erfüllt den gesamten Kosmos – 99 Prozent der beobachtbaren Materie liegt in diesem vierten Zustand vor. Doch je nach Dichte und thermischer Struktur kann das Plasma ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Die Spanne reicht von tödlich heißer, brodelnder Sonnenmaterie bis zu den kalten Plasmen der Polarlichter oder der in der Medizin eingesetzten „Plasma-Pens“.
Gerade die kalten Plasmen erweisen sich mehr und mehr als wahre Alleskönner: Je nach Beschaffenheit können sie zerstören und zersetzen, aber auch heilen und Neues erschaffen. Das macht sie zu einem spannenden und innovativen Werkzeug und Hilfsmittel. 
 
Inhalt:

1. Am Anfang war das Plasma
   Das Wesen des vierten Zustand
2. Vom Gas zum Plasma
   Wie man den vierten Materiezustand herstellt
3. Zwischen kalt und extrem heiß
   Plasma ist nicht gleich Plasma
4. Von Feldern verformt
   Die Wirkung von Magnetfeldern auf Plasma
5. Keimkiller und Wundheiler
   Kaltes Plasma in der Medizin
6. Antriebsdüsen und feine Schnitte
   Plasma-Anwendungen in Technik und Raumfahrt

1. Februar 2019

 

von Nadja Podbregar

Am Anfang war das Plasma

Im Universum bilden wir eher die Ausnahme. Denn in auf der Erde und anderen Gesteinsplaneten liegt Materie vorwiegend in nur drei Aggregatzuständen vor: fest, flüssig oder gasförmig. Doch wenn wir in den Himmel schauen, ändert sich das Bild: Ob Sterne, Galaxien oder kosmische Gaswolken – nahezu alles besteht aus Plasma, dem vierten Zustand der Materie.

 

Nach der antiken Vorstellung der vier Elemente entspricht das Plasma am ehesten dem Feuer. 

Noch bevor alle anderen Materieformen entstanden, war das Universum schon von Plasma erfüllt. Es entstand, als sich wenige Minuten nach dem Urknall die ersten Protonen und Neutronen zu Atomkernen verbanden. Die Elektronen aber flogen größtenteils weiter frei umher. Dadurch war der gesamte Kosmos von geladenen Teilchen erfüllt – einem Plasma. Weil dieses Ur-Plasma die reichlich vorhandene Strahlung immer wieder ablenkte und streute, war das Universum in dieser Zeit gleißend hell, aber undurchsichtig trüb.

Zerlegt in Ionen und Elektronen

Von einem Plasma spricht man immer dann, wenn die Atome oder Moleküle eines Gases eines oder mehrere Elektronen abgegeben haben und dadurch ionisiert sind. Gleichzeitig bewegen sich die abgegebenen Elektronen ungebunden zwischen diesen Ionen umher. „Es ist so, als hätten wir zwei verschiedene ineinander gemischte Gase: Eines ist leicht und negativ geladen und das andere besteht aus den schwereren positiv geladenen Ionen“, erklärt der Physiker Justin Wark von der University of Oxford.

Ob Sterne, Galaxien oder interstellare Nebel: Fast alles, was man heute im Weltall sieht, besteht aus Plasma. 

Die Ära des Ur-Plasmas endete erst, als sich das Universum rund 380.000 Jahre nach dem Urknall weiter abgekühlt hatte und die Atome und Elektronen sich zu den ersten Elementen zusammenfanden. Zum ersten Mal in seiner jungen Geschichte war das Universum war nun fast völlig plasmafrei. Das änderte sich erst wieder, als hunderte Millionen Jahre später die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Ihre energiereiche Strahlung führte zu einer Reionisierung der kosmischen Gaswolken und fast der gesamten im Kosmos vorhandenen Materie.

99 Prozent der sichtbaren Materie

Heute ist der gesamte Kosmos dadurch wieder von Plasma erfüllt. Astronomen gehen davon aus, dass sogar 99 Prozent der beobachtbaren Materie im Universum in diesem vierten Zustand vorliegt. Die Spanne reicht vom heißen, dichten Plasma im Inneren der Sterne über Supernova-Überreste und andere leuchtende Gaswolken bis hin zu dem diffusen, kalten Material, das den scheinbar leeren Raum zwischen den Sternen und Galaxien ausfüllt.

Sogar unsere Erde ist von Plasma umgeben: Wie gestaffelte Schutzschilde schützen uns diese Hüllen aus ionisiertem Gas vor harter Strahlung aus dem Weltraum und haben dadurch erst die Entwicklung des Lebens ermöglicht. Umso ungewöhnlicher ist es, dass wir hier auf der Erdoberfläche in einem fast plasmafreien Raum leben – zumindest was unsere natürliche Alltagsumgebung angeht. Wollen wir hier auf der Erdoberfläche Plasma nutzen oder untersuchen, müssen wir es selbst herstellen.

Wie aber macht man Plasma?