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Künstliche Fotosynthese: Lösung aller Energieprobleme?

Heidelberg. Die Sonne ist eine unerschöpfliche und zudem saubere Energiequelle. Fotovoltaikanlagen und Solarthermiekraftwerke zapfen sie bereits an und gewinnen aus Sonnenlicht Strom. Der ist jedoch nur sehr begrenzt speicherbar und muss sofort verbraucht werden. Sein Transport über weite Strecken ist zudem mit großen Verlusten verbunden. Nur über den Umweg der Wasserelektrolyse lässt sich elektrischer Strom in den breiter einsetzbaren Energieträger Wasserstoff umwandeln, was aber sehr ineffektiv ist.

Eine wesentlich elegantere Lösung macht uns die Natur seit jeher vor: die Fotosynthese. Dabei erzeugen Pflanzen, Algen und gewisse Bakterien mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid und Wasser direkt energiereiche Zuckermoleküle. Schon seit einiger Zeit versuchen Forscher deshalb, den Vorgang künstlich nachzuahmen. Dabei geht es ihnen vor allem um den ersten Schritt der Fotosynthese: die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die bisher erzielten Erfolge sind beachtlich. So präsentierte Daniel Nocera vom Massachussetts Institute of Technology vor zwei Jahren ein “künstliches Blatt”. Es besteht aus einer Solarzelle, in der auftreffendes Sonnenlicht freie Elektronen und “Löcher” (Elektronenfehlstellen) erzeugt. Die dem Licht zugewandte Seite ist mit einem cobalthaltigen Katalysator beschichtet, der mit Hilfe der Löcher aus Wasser Sauerstoff freisetzt. Die zurückbleibenden Protonen wandern zur anderen Seite und werden dort von einer Legierung aus Nickel, Molybdän und Zink mit Hilfe der Elektronen zu Wasserstoff reduziert. Der Wirkungsgrad liegt mit 2,5 bis 4,7 Prozent – je nach genauer Konfiguration – schon recht hoch. Pflanzen verwerten das auftreffende Sonnenlicht sogar nur zu 0,3 Prozent.

Allerdings ist dieses “Blatt” wegen der enthaltenen Metalle noch ziemlich teuer und auch nicht lange beständig. Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm hat sich deshalb auf ein anderes Material verlegt, das nicht nur sehr stabil, sondern auch einfach und preiswert herstellbar ist: graphitisches Kohlenstoffnitrid. Schon Justus Liebig kannte die Substanz im 19. Jahrhundert. Sie ist entfernt mit dem Chlorophyll des Blattgrüns verwandt und ähnelt stark dem Graphen – einer maschendrahtartigen Anordnung von Kohlenstoffatomen, der viele eine große Zukunft in der Elektronik vorhersagen.

Kohlenstoffnitrid als solches ist allerdings nicht sehr aktiv, was unter anderem an seinem zu geringen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen liegt. Wie Antonietti in Spektrum der Wissenschaft berichtet, konnte seine Gruppe aber bereits eine Steigerung um das Zehnfache erreichen, indem sie gezielt die Porosität des Materials erhöhte.

Eine weitere Verbesserung ließ sich durch Dotieren mit Schwefel oder Barbitursäure erreichen. Auf diese Weise konnten die Forscher die Quantenausbeute der Oxidation von Wasser zu Protonen und Sauerstoff für violette Strahlung einer Wellenlänge von 440 Nanometern immerhin auf 5,7 Prozent steigern. Hilfreich war auch die Zugabe von Nanoteilchen aus Cobaltoxid. Dadurch erhöhte sich die Quantenausbeute für die Wasserspaltung insgesamt auf 1,1 Prozent.

Alles in allem sehen die bisherigen Ergebnisse also ermutigend aus. Zwar veranschlagt Antonietti bis zur praktischen Einsatzreife seines Systems noch mindestens 20 Jahre. Doch die Aussichten wären verlockend. Wenn sich mit künstlichen Fotosynthesesystemen 10 Prozent der Solarenergie nutzen ließen, müssten sie nur 0,16 Prozent der Erdoberfläche bedecken, um den für 2030 vorausgesagten globalen Energiebedarf von 20 Terawattstunden zu decken. Als Standorte kämen dabei in erster Linie Wüsten in Frage, wo die Sonne fast immer scheint und keine Konkurrenz zu Agrarnutzflächen besteht. Ein Zehntel der Sahara, die 1,76 Prozent der Erdoberfläche einnimmt, würde bereits genügen.

Wie heutige Solarzellen ließen sich künstliche Fotosynthesesysteme aber auch auf Dächern installieren. Bei einer Lichtausbeute von 10 Prozent könnten sie beispielsweise 300 Tonnen Methanol pro Hektar und Jahr liefern. “Wären nur 100 Quadratmeter des eigenen Grundstücks damit bedeckt, bräuchte selbst ein leidenschaftlicher Autofahrer bei heutigem Treibstoffverbrauch nie mehr zur Tankstelle”, erklärt Antonietti.  (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, September 2013)

Das Geheimnis des Jungbrunnens



Warum altern wir? Wann sterben wir und wieso? Gibt es ein Leben ohne Altern? Schon seit Jahrhunderten faszinieren diese Fragen die Wissenschaft. So kommt es doch hin und wieder vor, dass in wunderbarer Weise das biblische Alter sehr weit überschritten wird.

An der Spitze der Langlebigen in der geschichtlichen Zeit marschiert der Engländer Thomas Carn. Laut Ausweis eines kirchlichen Urkundenbuchs in London wurde er dort am 28. Januar 1588 geboren, während er derselben Urkunde zufolge erst im Jahre 1795 gestorben ist. Er hätte mithin ein Lebensalter von 207 Jahren erreicht. Ein Mann, dem ein solches Alter beschieden wäre und der im Jahr 1916 siebzig Jahre alt wäre, würde erst im Jahre 2053 sterben. Was könnte dieser Mann, der die Technik fast aus ihren Uranfängen sich hat entwickeln sehen, noch alles erleben!

Unter den Schotten, die nicht arm an Langlebigen sind, nimmt eine besondere Stelle St. Mungo, der Stifter des altehrwürdigen Bistums Glasgow ein, der 185 Jahre alt geworden sein soll. Ein gleiches Alter erreichte ein Mann namens Peter Zorsay, der von 1539 bis 1724 gelebt hat. Ein englischer Bauer namens Thomas Parr erreichte ein Lebensalter von 152 Jahren und besaß einen Sohn von 127 Jahren. Mit 101 Jahren wurde Parr noch wegen Sittlichkeitsvergehen zu Gefängnis verurteilt, und im Alter von 120 Jahren verehelichte er sich mit einer Witwe, die nach ihrer Angabe nie etwas von seinem hohen Alter gemerkt hat.

H. Jenkins, der 1670 in Yorkshire die Augen schloss, erreichte eine Lebensdauer von 169 Jahren. Kurz vor seinem Tode musste er vor Gericht einen Vorgang bekunden, der vor 140 Jahren geschehen war. Der Chirurg Politman, ein Lothringer von Geburt, konnte in voller Frische seinen 140. Geburtstag feiern. Am Tage vor seinem Tod nahm er bei seiner Frau noch eine schwere Krebsoperation vor. Dabei wird von ihm erzählt, dass er von seinem fünfundzwanzigsten Jahr an Tag für Tag betrunken gewesen sei. Einen ebenso ungesunden Lebenswandel führte auch der Chirurg Espagao in der Garonne, der dafür nur 112 Jahre leben durfte.

Auf eine ähnlich gute Wirkung anhaltenden Biergenusses weist die Inschrift auf einem Grabstein in Schottland hin: »Unter diesem Stein liegt Brown, der durch die Macht von schwerem Bier sein Leben auf 120 Jahre gebracht hat. Er war immer betrunken und in diesem Zustand so fürchterlich, dass selbst dem Tod vor ihm grauste. Als er eines Tags ausnahmsweise nüchtern war, fasste der Tod Mut, ergriff ihn und triumphierte über diesen beispiellosen Trunkenbold.«

Auch Elisabeth Durieux, die das stattliche Alter von 140 Jahren erreichte, lebte durchaus nicht gesundheitsgemäß. Sagt man ihr doch einen täglichen Kaffeekonsum von etwa vierzig Tassen nach.

Ein englischer Bauer hinterließ, als er im Alter von 160 Jahren starb, eine Witwe mit zahlreichen Kindern, von denen das älteste 103, das jüngste 9 Jahre zählte.

Wenn auch im Allgemeinen dem Leben des Menschen ein recht kurzes Ziel gesetzt ist, so kommt es doch hin und wieder vor, dass in wunderbarer Weise das biblische Alter sehr weit überschritten wird.

An der Spitze der Langlebigen in der geschichtlichen Zeit marschiert der Engländer Thomas Carn. Laut Ausweis eines kirchlichen Urkundenbuchs in London wurde er dort am 28. Januar 1588 geboren, während er derselben Urkunde zufolge erst im Jahre 1795 gestorben ist. Er hätte mithin ein Lebensalter von 207 Jahren erreicht. Ein Mann, dem ein solches Alter beschieden wäre und der zur jetzigen Zeit (1916) 70 Jahre alt wäre, würde erst im Jahre 2053 sterben. Was könnte dieser Mann, der die Technik fast aus ihren Uranfängen sich hat entwickeln sehen, noch alles erleben!

Unter den Schotten, die nicht arm an Langlebigen sind, nimmt eine besondere Stelle St. Mungo, der Stifter des altehrwürdigen Bistums Glasgow ein, der 185 Jahre alt geworden sein soll. Ein gleiches Alter erreichte ein Mann namens Peter Zorsay, der von 1539 bis 1724 gelebt hat. Ein englischer Bauer namens Thomas Parr erreichte ein Lebensalter von 152 Jahren und besaß einen Sohn von 127 Jahren. Mit 101 Jahren wurde Parr noch wegen Sittlichkeitsvergehen zu Gefängnis verurteilt, und im Alter von 120 Jahren verehelichte er sich mit einer Witwe, die nach ihrer Angabe nie etwas von seinem hohen Alter gemerkt hat.

H. Jenkins, der 1670 in Yorkshire die Augen schloss, erreichte eine Lebensdauer von 169 Jahren. Kurz vor seinem Tode musste er vor Gericht einen Vorgang bekunden, der vor 140 Jahren geschehen war. Der Chirurg Politman, ein Lothringer von Geburt, konnte in voller Frische seinen 140. Geburtstag feiern. Am Tage vor seinem Tod nahm er bei seiner Frau noch eine schwere Krebsoperation vor. Dabei wird von ihm erzählt, dass er von seinem fünfundzwanzigsten Jahr an Tag für Tag betrunken gewesen sei. Einen ebenso ungesunden Lebenswandel führte auch der Chirurg Espagao in der Garonne, der dafür nur 112 Jahre leben durfte.

Auf eine ähnlich gute Wirkung anhaltenden Biergenusses weist die Inschrift auf einem Grabstein in Schottland hin: »Unter diesem Stein liegt Brown, der durch die Macht von schwerem Bier sein Leben auf 120 Jahre gebracht hat. Er war immer betrunken und in diesem Zustand so fürchterlich, dass selbst dem Tod vor ihm grauste. Als er eines Tags ausnahmsweise nüchtern war, fasste der Tod Mut, ergriff ihn und triumphierte über diesen beispiellosen Trunkenbold.«

Auch Elisabeth Durieux, die das stattliche Alter von 140 Jahren erreichte, lebte durchaus nicht gesundheitsgemäß. Sagt man ihr doch einen täglichen Kaffeekonsum von etwa vierzig Tassen nach.

Ein englischer Bauer hinterließ, als er im Alter von 160 Jahren starb, eine Witwe mit zahlreichen Kindern, von denen das älteste 103, das jüngste 9 Jahre zählte.

In der jüngsten Vergangenheit haben Wissenschaftler neue Erkenntnisse über den Prozess des Alterns gewonnen. Forscher aus Ulm und Cincinnatti haben einen Weg gefunden, adulte Stammzellen des blutbildenden Systems zu verjüngen, so dass diese ihre Aufgaben im Körper wieder genauso gut erfüllen können wie junge Zellen. Ihre Erkenntnisse zeigen in bisher einmaliger Form, dass bestimmte Alterungsprozesse in diesen Zellen rückgängig gemacht werden können und geben Hinweise darauf, dass dies auch für andere Zellen gelten könnte. Langfristig könnten ihre Forschungen helfen, altersbedingten Erkrankungen wie Blutarmut oder verminderte Immunabwehr besser zu begegnen. Die Forschungsergebnisse erschienen am 03.05.2012 im renommierten Fachjournal Cell Stem Cell (doi: CELL-STEM-CELL-D-11-00519R2, Geiger).

Buchtipp:
Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Das Jenseits: eine physikalische Theorie

Existiert ein physikalischer Bereich außerhalb von Raum und Zeit, den man als Jenseits bezeichnen kann? Im Rahmen seines Vortrags auf einer virtuellen Ideenkonferenz macht Professor Allman das metrikfreie Vakuum als den Ort aus, an dem sich das Jenseits befindet. Die Theorie begründet er mit den Ergebnissen aus den Experimenten zur sogenannten “spukhaften Fernwirkung”.

Video-Rezension zur Neuerscheinung von Stevensons “Prince Otto”

Robert Louis Stevenson (1850-1894), der Bestsellerautor des 19. Jahrhunderts, der uns den bekannten Klassiker “Die Schatzinsel” hinterließ, rezensiert in der Animation höchstpersönllich seinen zweiten Roman “Prince Otto”, der jetzt zum ersten Mal in deutscher Sprache unter dem Titel “Intrigen am Thron” erschienen ist. – Informativ, lebendig und lustig!

Buchlink:
Intrigen am Thron: Deutsche Ausgabe von “Prince Otto” – Roman über Intrigen, Ringen um Macht, Verrat, Hinterlist und wahre Liebe

Erstmalig in Deutsch: Stevensons Roman »Prince Otto«.

Coverbild Intrigen am ThronDer Roman »Prince Otto« von Robert Louis Stevenson, der auch die bekannten Klassiker »Die Schatzinsel« und »Dr. Jekill und Mr. Hyde« schrieb, wurde jetzt zum ersten Mal ins Deutsche übersetzt und unter dem Titel »Intrigen am Thron« herausgegeben.

Was macht dieses Buch so außergewöhnlich?

Stevensons zweiter Roman, 1885 erschienen, ist im Gegensatz zur Schatzinsel nicht für die Jugend geschrieben, sondern für ein durchaus anspruchsvolles Publikum. Der Roman erzählt von jungen deutschen Adligen, dem leichtfertigen Prinzen Otto und seiner Frau, der ehrgeizigen Prinzessin Seraphina, die in ihren Rollen als Staatsoberhäupter des Fürstentums Grünewald dabei sind, sich gefühlsmäßig zu verwirren und auseinanderzuleben. Sie werden in ein Gespinst aus Hofintrigen, dem Ringen um Macht, Verrat und Hinterlist verwickelt.

Das politische Umfeld lässt sich unschwer als das der deutschen Revolution von 1848/1849 ausmachen. Es war eine Zeit des Umbruchs. Auch im Fürstentum Grünewald, das unter der eisernen Faust des Premierministers Gondremark stand, braute sich für den Adel das Unheil als Folge der bürgerlich-liberalen und revolutionären Strömungen zusammen.

Das Werk zieht den Leser in seinen Bann durch die unausgesprochenen Fragen, wie die beiden jungen Adligen mit dem drohenden Unheil fertig werden, welches Schicksal sie erleiden werden, und ob es ihnen gelingen wird, wieder zueinander zu finden.

Auch heute ist wieder so eine Zeit des Umbruchs, diesmal nicht in Deutschland oder Europa, sondern in der arabischen Welt. Genauso wie vor mehr als 150 Jahren geht es um die Ablösung undemokratischer Staatsoberhäupter durch demokratischere Strukturen und die Teilhabe der Bürger an der Macht. Und so erkennt man in Stevensons Werk ein zeitloses Muster der wiederkehrenden gleichen Konflikte und ihre möglichen Lösungen.

Die wunderschönen Formulierungen der alten Sprache sind erhalten geblieben und dank der neuen Übersetzung in eine für unsere Zeit angemessene Form gebracht worden. Hier nur eine kleine Textprobe aus einer Szene, in welcher Gondremark versucht, die Prinzessin zu manipulieren:

»Und dieses unglückliche Land, seiner Aufgabe verpflichtet, und dem Leben der Menschen und der Ehre der Frauen …«. Seine Stimme schien ihm zu versagen. Einen Augenblick später hatte er seinen Gefühlsausbruch überwunden und er fuhr fort. »Aber Sie, Madame, stellen sich würdiger Ihrer Verantwortung. In Gedanken bin ich bei Ihnen. Und angesichts der Schrecken, die ich kommen sehe, sage ich, und Ihr Herz wiederholt es – wir sind zu weit gegangen, um noch innezuhalten. Ehre, Pflicht, ja und die Sorge um unser eigenes Leben, verlangen, dass wir fortfahren …« (S. 82).

Die Kommentare zur englischen Ausgabe lesen sich in deutscher Übersetzung so:

  • Die Geschichte ist lebendig und wunderschön erzählt (Tom Nelson).
  • Eine Freude, sie zu lesen (Fraeden).
  • Ich würde daraus einen Film machen (Gordon A. FitzGerald).

Neben einer schönen Ausstattung mit Initialen am Kapitelbeginn, Ornamenten auf jeder Seite und drei Reproduktionen alter Gemälde im Text, besticht das Buch durch den zweispaltigen Textspiegel, der sich besonders leicht lesen lässt. So wird das Anfassen und Aufklappen dieses Buchs bereits zu einem sinnlichen Vergnügen und das Lesen zu einem geistigen Genuss.

Der vollständige Titel lautet:

Intrigen am Thron: Deutsche Ausgabe von “Prince Otto” – Roman über Intrigen, Ringen um Macht, Verrat, Hinterlist und wahre Liebe
Von Robert Louis Stevenson und Klaus-Dieter Sedlacek.
ISBN 978-3-8482-0065-8, Paperback, 168 Seiten.

Kann Religion die Übel der Welt rechtfertigen?

Die Theologie reklamiert für sich rationales Denken und Wissenschaftlichkeit – trotz ihrer Bindung an die Religion. Dabei geht es ihr vor allem darum, innere Widersprüche zu beseitigen, aber auch um die Auseinandersetzung und Abstimmung mit anderen Disziplinen. Doch ist hier ein Konsens überhaupt möglich? Kann Religion die Übel der Welt rechtfertigen? weiterlesen

Das Gottesteilchen eingekreist


Noch nicht gefunden – aber alle Zeichen deuten auf seine Existenz hin: Das Higgs-Teilchen, welches die Physikerinnen und Physiker am CERN, dem Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik in Genf jagen, wird eingekreist. Das vermelden die beteiligten Forschungskollaborationen. Aufgrund der Daten, die sie in den 18 Monaten seit dem Start des weltgrössten Teilchenbeschleunigers «Large Hadron Collider» (LHC) gesammelt haben, liegen den Wissenschaftlern Hinweise zur Existenz des im Standardmodell vorhergesagten Teilchens vor. Das Higgs-Feld, das nach dem schottischen Physiker Peter Higgs benannt wird, soll allen Teilchen ihre Masse verleihen. Das macht das Higgs-Teilchen zu einem wichtigen Bestandteil im geltenden Verständnis der Physik und deshalb wird es manchmal auch das «Gottesteilchen» genannt.

Die Analyse der bisherigen Daten zeigt, dass bei einem bestimmten Massenwert (125 Gigaelektronenvolt) «mehr charakteristische Ereignisse auftauchen, als es geben würde, wenn das Higgs-Teilchen nicht existierte», erklärt der am ATLAS-Experiment beteiligte Berner Physiker Hans Peter Beck. Die Wissenschaftler stellen aber klar, dass «es zu früh für Schlussfolgerungen ist»: Es braucht mehr Daten, um den noch offenen Massenbereich von 116 bis 130 Gigaelektronenvolt endgültig abzudecken. Das ist der Bereich, in dem das Higgs-Teilchen sich überhaupt noch tummeln kann, die anderen Bereiche wurden gründlich «abgesucht». Beck rechnet damit, dass bis Ende nächstes Jahr definitiv klar ist, ob das Higgs-Teilchen existiert oder nicht. «Mit etwas Glück gehts sogar schneller.»

Der LHC-Teilchenbeschleuniger und die vier Detektoren

Um in bislang unerreichte Dimensionen im Verständnis der Elementarteilchen vorzudringen, lassen die Physikerinnen und Physiker des CERN im 27 Kilometer langen unterirdischen LHC Protonenstrahlen mit je 3,5 Teraelektronenvolt kreisen und mit beinahe Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Bei dieser höchsten jemals künstlich erzeugten Kollisionsenergie simulieren sie den Urknall vor rund 14 Milliarden Jahren – und erhoffen sich ein besseres Verständnis über den Aufbau des Universums. Um das Higgs-Boson – und andere neue Kleinstteilchen – zu entdecken und nachzuweisen, wurden vier riesige Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb und ALICE) um die vier Kollisionsstellen am LHC aufgebaut; der grösste würde die Kathedrale Notre-Dame in Paris zur Hälfte füllen, während der schwerste mehr Eisen enthält als der Eiffelturm.
Mit dem ATLAS-Detektor mit seinen sensiblen und ausgeklügelten Spurendetektoren, Kalorimetern, Müon-Spektrometern und hochpotenten Magnetfeldern versucht eine internationale Forschungskollaboration mit Berner Beteiligung den Kleinstteilchen auf die Schliche zu kommen, welche aus den Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Das stellt die Wissenschaft schon von Beginn weg vor grosse Herausforderungen: Von den 600 Millionen Proton-Proton-Kollisionen, die pro Sekunde im ATLAS-Detektor stattfinden, sind nur gerade 200 interessant genug, um deren Daten zu analysieren. Bei dieser Datenselektion ist der Physiker Hans Peter Beck federführend, er spielt seit 1997 bei der Systemarchitektur der Ereignisselektion und deren Inbetriebnahme eine führende Rolle. Sigve Haug erstellte in Bern einen grossen Grid-Computer-Cluster (500 CPU cores und 200 Terabytes an Diskspeichern), um die riesige Daten-Menge zu bewältigen. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Wie aus nichts alles entsteht: Die Entstehung des Lebens.


Wie entstanden vor rund 3,8 Milliarden Jahren aus einem Dutzend chemischer Elemente die ersten lebenden Zellen? Hatte dabei ein geheimnisvoller „intelligenter Designer“ seine Hand im Spiel? Zellbiologen, Physiker, Mathematiker, Philosophen und Theologen der Universität Bonn haben nun ein neues Buch zu dieser Frage vorgelegt. Darin erteilen sie dem „Intelligent Design“ als Konkurrenz zur Evolutionstheorie eine klare Absage. Sie zeigen aber auch, dass unser Bild von den Anfängen des Lebens noch sehr unvollständig ist.

Regina-Pacis-Weg 3: Wie lange müsste wohl ein Kleinkind auf der Computertastatur herumhämmern, um zufällig die Adresse des Hauptgebäudes der Uni Bonn zu Papier zu bringen? Man kann leicht ausrechnen, dass dazu selbst Milliarden von Jahren nicht einmal in Ansätzen reichen würden.

Noch unwahrscheinlicher ist es, dass in den 4,6 Milliarden Jahren seit der Entstehung der Erde auch nur eine einzige Aminosäure per Zufall entstehen konnte – geschweige denn ein so komplexes Molekül wie das Hämoglobin, eine Zelle oder gar ein ganzer Organismus. Auf diesem Argument fußt das Gedankengebäude des „Intelligent Design“, das gerade in den USA momentan enorm populär ist: Das Leben sei zu komplex, als dass es ohne lenkenden Eingriff einer intelligenten Macht hätte entstehen können.

Doch dieses Argument ist wenig stichhaltig, wie die Autoren des Buches „Lebensentstehung und künstliches Leben“ zeigen. Denn chemische Reaktionen gehorchen Regeln. „In atomaren und molekularen Strukturen stecken Informationen, die das rein Zufällige der Entstehung einschränken“, erklärt der Herausgeber Professor Dr. Volker Herzog. Es ist, als würde das Kind nicht auf der Tastatur eines Computers, sondern auf dem Bedienfeld eines Navigationsgerätes herumklimpern: Dort sind nur Eingaben erlaubt, die zu existierenden Adressen führen können. Auch wer gar nicht schreiben kann, kann mit so einem Gerät also nur korrekte Straßennamen produzieren. Dass dabei zufällig der Regina-Pacis-Weg entsteht, ist dann plötzlich gar nicht mehr so unwahrscheinlich.

Die Komplexität des Lebendigen spricht also nicht unbedingt dafür, dass dabei ein Schöpfer seine Hand im Spiel hatte. Doch wie ist das Leben dann entstanden? Und was ist Leben überhaupt? Dieser Frage versuchen sich fünf Wissenschaftler der Universitäten Bonn und Groningen sowie des Forschungszentrums Jülich aus völlig verschiedenen Perspektiven zu nähern: Professor Dr. Volker Herzog (Zellbiologie), Professor Dr. Wolfgang Alt (theoretische Biologe), Professor Dr. Gunter Schütz (Physik), Dr. Stephan Schleim (Philosophie) und Professor Dr. Ulrich Eibach (Theologie).

Bereits 1953 hat der amerikanische Chemiker Stanley Miller versucht, der Frage nach der Entstehung des Lebens experimentell auf den Grund zu gehen. Mit einer einfachen Apparatur stellte er die Bedingungen nach, die vor dreieinhalb Milliarden Jahre auf der Erde geherrscht haben könnten. Dabei gelang es ihm, aus einer Handvoll anorganischer Zutaten unter anderem einige Aminosäuren herzustellen – die Bausteine der Proteine. Seine Entdeckung war eine wissenschaftliche Sensation. Der gerade mal 23-jährige Miller legte damit den Grundstein zu einer völlig neuen Wissenschaftsdisziplin, der synthetischen Biologie. Die Autoren zeichnen die enormen Fortschritte nach, die diese Fachrichtung seitdem gemacht hat. Selbst die Herstellung künstlichen Lebens erscheint heute in nicht allzu ferner Reichweite. Andererseits gebe es aber noch viele ungeklärte und möglicherweise unklärbare Geheimnisse des Lebendigen. (Quelle: idw).

Bücher:

Lebensentstehung und künstliches Leben

Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Emergenz: Komplexität bestimmt die Welt

Video: Einführungsveranstaltung zur Ringvorlesung “Die Welt des Komplexen: Emergenz, Evolution und Kausalität” am 23.10.2007

FRANKFURT. Komplexität zieht sich als Leitmotiv durch nahezu alle heutigen Naturwissenschaften und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Am Anfang der wissenschaftlichen Revolution der Neuzeit stand das Bestreben, das Naturgeschehen durch wenige und möglichst einfache Gesetzmäßigkeiten erfassen und verstehen zu können.

Dieses Programm im Sinne des Reduktionismus war von spektakulären Erfolgen gekrönt und hat die Welt entscheidend verändert. Die Suche nach fundamentalen Bausteinen und Gesetzmäßigkeiten hat auch heute nichts von ihrer Bedeutung verloren. Dennoch ist nicht zu übersehen, dass die real existierenden Objekte der Naturbeschreibung in der Regel alles andere als einfach sind. Nahezu überall stößt man auf komplexe Systeme, die sich aus miteinander wechselwirkenden Subeinheiten zusammensetzen und bei denen das Ganze mehr ist, als die Summe seiner Teile. Das Verständnis derartiger komplexer Systeme, charakterisiert durch Begriffe wie Strukturbildung, Selbstorganisation und Emergenz neuer Eigenschaften, gehört zu den zentralen Herausforderungen an die modernen Wissenschaften.

Die Biologie steht vor der Herausforderung, die Funktion und die Organisationsprinzipien der aus Evolutionsprozessen hervorgegangenen komplexen Systeme im lebenden Organismus aufzuklären. Dies gilt für die Funktion einzelner Biomoleküle oder Molekülkomplexe und für molekulare Netzwerke und Regelkreise innerhalb der Zelle (metabolische und Proteom-Genom-Netzwerke), für das Zusammenspiel von Zellen in Organen oder für das Immunsystem.

In den Neurowissenschaften steht das wohl komplexeste in der Natur existierende System im Zentrum der Untersuchungen, das Gehirn. Die Analyse des Aufbaus und der Funktionsprinzipien der riesigen, eng verflochtenen Netze von Neuronen im Gehirn, die letztlich für die kognitiven, mentalen und psychischen Prozesse bei Mensch und Tier verantwortlich sind, macht rapide Forschritte, wenn auch der Weg zu einem detaillierten Verständnis noch sehr weit ist.

In der Physik, die als erste der Naturwissenschaften den Weg zu einem quantitativen und theoretisch-mathematisch fundierten Verständnis beschritten hat, standen zunächst einfache, gut analysierbare Teilsysteme im Vordergrund. Spätestens mit der Entwicklung der nichtlinearen Dynamik und der Chaostheorie im 20. Jahrhundert wurde jedoch auch hier die Rolle der Komplexität klar. Das gilt für fast alle Vielteilchensysteme, ja selbst das Vakuum weist im Rahmen der Quantentheorie Züge großer Komplexität auf.

Die Rolle der Komplexität in der Chemie folgt schon aus ihrer Verankerung in der Physik, da chemische Moleküle Paradebeispiele für Vielteilchensysteme darstellen. Struktur, Funktion und Dynamik großer Makromoleküle sind im Grenzbereich zwischen Chemie, Physik und Biologie angesiedelte Fragestellungen. Von den supramolekularen chemischen Strukturen, die die Grundlage vieler Prozesse in der lebenden Zelle bilden, gibt es einen nahtlosen Übergang zum aktuellen Gebiet der atomaren Cluster und Nanostrukturen mit großem technischem Anwendungspotenzial. Quelle: idw
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Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Technologiesprung bei spukhaft verschränkten Lichtteilchen

Video: Quantenverschränkung – Das Phänomen der Nichtlokalität

Eine neuartige Quelle von verschränkten Lichtteilchen haben Wiener PhysikerInnen um Philip Walther und Anton Zeilinger entwickelt. Diese erlaubt es erstmals nachzuweisen, dass ein verschränkter Zustand vorliegt, ohne diesen zu messen.

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die kaum mit dem alltäglichen, makroskopischen Verständnis der Welt vereinbar ist und kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzt. Sind zwei Lichtteilchen (Photonen) miteinander verschränkt, so bleiben sie über beliebige Distanzen verbunden. Führt man eine Messung, z.B. des Polarisationszustandes, an einem der beiden Teilchen durch, so ändert sich auf “spukhafte Weise” auch der Zustand des anderen Teilchens.

Für die Realisierung von auf Verschränkung basierenden Technologien, wie optischen Quantennetzwerken und photonischen Quantencomputern, ist diese wissenschaftliche Arbeit der Wiener PhysikerInnen ein wichtiger Schritt.

Bisher hatte die Standardquelle für verschränkte Photonen einen entscheidenden Nachteil: Der Emissionszeitpunkt war unbekannt und es ließ sich damit nicht feststellen, wann die Teilchen die Quelle verlassen. Diese spontane Emission der Teilchenpaare führte zu diversen Problemen bei experimentellen Realisierungen. Möchte man z.B. einen Quantencomputer auf der Basis von Photonen bauen, hieße das, dass man nicht genau weiß, wann die sogenannten Quantenbits, in diesem Fall in Form von Photonen, vorhanden sind. In der Praxis bedeutet dies, dass nach jedem vermuteten Rechenschritt Photonen gemessen werden müssen, um festzustellen, ob dieser erfolgreich war.

Die von Wiener ForscherInnen realisierte Quelle von verschränkten Photonenpaaren, bei der die Emission der Paare angekündigt wird, macht eine Messung zur Anwesenheit der Teilchen überflüssig und ermöglicht eine Erweiterung des derzeitigen optischen Quantencomputers. Das Konzept dieser Quelle basiert auf zusätzlichen Hilfsteilchen, deren Messung eine Aussage über den Zustand der verbleibenden Teilchen ermöglicht. Im konkreten Fall des Wiener Experiments präparieren die ForscherInnen sechs Photonen in einem speziellen quantenmechanischen Zustand. Misst man nun vier dieser Photonen in einer festgelegten Konfiguration, so befinden sich die übrigen beiden Photonen in einem verschränkten Zustand. “Vier gleichzeitige Detektorklicks der vier Hilfsphotonen signalisieren also die Aussendung eines Paares verschränkter Photonen”, erklärt die am Experiment beteiligte Physikerin Stefanie Barz.

Neben der fundamentalen Bedeutung von verschränkten Systemen, liefern diese auch vollkommen neue Ansätze zur Informationsverarbeitung und zur abhörsicheren Kommunikation unter Ausnutzung von quantenmechanischen Prinzipien. Verschränkte Photonen bilden daher seit vielen Jahren einen Ausgangspunkt für zahlreiche Grundlagenexperimente zur Quantenmechanik und sind die Basis für experimentelle Realisierungen von Konzepten zur Quanteninformationsverarbeitung. So wurden bereits einfache Quantencomputer realisiert, die die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzen, um eine schnellere und sicherere Informationsverarbeitung zu ermöglichen. (Quelle: idw)