Schlagwort-Archive: Umwelt

Rohstoffe aus dem Meer: Lösung zukünftiger Rohstoffprobleme?

Hamburg/Kiel (ots) – Der Hunger der Menschheit nach Rohstoffen hält unvermindert an. Der Ölverbrauch hat sich seit Anfang der 1970er Jahre verdoppelt, und auch die Nachfrage nach mineralischen Rohstoffen steigt mit dem zunehmenden Einsatz von Metallen wie Kupfer, Nickel oder Kobalt in elektronischen Produkten wie Smartphones, Solarzellen oder Hybridautos. Die Rohstoff- Vorkommen in den Tiefen der Ozeane rücken dabei immer mehr in den Fokus des Interesses. Doch wann ist ein Abbau wirtschaftlich? Welche Umweltrisiken müssen bedacht werden? Und wer darf die Lagerstätten in internationalen Gewässern für sich beanspruchen?

Der »World Ocean Review 3 – Rohstoffe aus dem Meer – Chancen und Risiken« (WOR 3) beschreibt ausführlich die bekannten metallischen und energetischen Rohstoffe in den Ozeanen und beleuchtet – wissenschaftlich fundiert und für Laien verständlich geschrieben – die Chancen und Risiken des Abbaus und der Nutzung von Rohstoffen. Der Report liefert Fakten über die Menge an bekannten Öl- und Gasvorkommen und der festen Gashydratvorkommen unterhalb des Meeresbodens. Ferner geht es um das Potenzial von mineralischen Rohstoffen wie Manganknollen, Kobaltkrusten und Massivsulfiden. Darüber hinaus thematisiert der WOR 3 die Verantwortung der internationalen Staatengemeinschaft für einen umweltverträglichen Abbau und die völkerrechtliche Herausforderung, für eine sozial gerechte Verteilung der Ressourcen in internationalen Gewässern zu sorgen.

»Die Nutzung des Ozeans wird in der Zukunft zunehmen. Für eine umweltverträgliche Ressourcengewinnung aus dem Meer und aus dem Küstenraum gilt es, dass alle Akteure gemeinsam an möglichst nachhaltigen Lösungswegen arbeiten«, sagt Martin Visbeck vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und Sprecher des Kieler Exzellenzclusters »Ozean der Zukunft«.

Im Gegensatz zu schnell nachwachsenden Ressourcen wie etwa Fischen oder Muscheln entstehen mineralische und energetische Ressourcen aber nur im Laufe von vielen Millionen Jahren. Es gibt eine endliche Menge dieser Ressourcen, die nur mit hohem technischen Aufwand gefördert werden können.

Bereits mit der ersten maribus-Veröffentlichung, dem »World Ocean Review 1« (WOR 1), ist ein umfassender und einzigartiger Bericht gelungen, der den Zustand der Weltmeere und die Zusammenhänge zwischen dem Ozean und den ökologischen, ökonomischen und gesellschaftspolitischen Beziehungen aufzeigt. Bis heute wurden rund 70.000 Exemplare dieser Gesamtübersicht in deutscher und englischer Sprache weltweit nachgefragt. Die Publikation wird nicht verkauft, sondern gratis abgegeben. Eine Gewinnerzielungsabsicht gibt es nicht. Er ist zu beziehen über www.worldoceanreview.com.

Der Hunger der Menschheit nach Wissen und Erkenntnis hält genauso wie der Hunger nach Rohstoffen an. Dazu folgende Buchtipps:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit
Leben aus Quantenstaub: Elementare Information und reiner Zufall im Nichts als Bausteine einer 4-dimensionalen Quanten-Welt

Biotechnologie: Bakterien sollen Bio-Nylon produzieren

Schätzungen zur Folge sollen die Erdölvorkommen Mitte des Jahrhunderts zur Neige gehen. Für Erdöl, das nicht nur als Ausgangssubstanz für Benzin oder Heizöl dient, sondern etwa auch für Farben, Kosmetik und Kunststoff, müsste spätestens dann eine Alternative her. Weltweit sind Forscher daher bemüht, neue und nachhaltige Wege für die industrielle Produktion zu erschließen. Auch an der Universität des Saarlandes beschäftigen sich Professor Christoph Wittmann und seine Arbeitsgruppe damit, etwa Chemikalien und Wirkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe herzustellen.

In einem neuartigen Ansatz arbeiten die Saarbrücker Forscher nun daran, Nylon mittels biotechnologischer Methoden zu produzieren. Nylon ist einer der weltweit wichtigsten Kunststoffe – er kommt nicht nur in Strumpfhosen, sondern auch in vielen Verbundwerkstoffen vor, die zum Beispiel beim Autobau verwendet werden. Bei seinem Verfahren setzt das Team um Wittmann auf die zentrale Vorstufe des Kunststoffs – die Adipinsäure. „Adipinsäure hat in den vergangenen Jahrzehnten vor allem als Baustein für Nylon-Kunststoffe, aber auch für Lebensmittelzusätze, Pharmazeutika, Dünger und Pflanzenschutzmittel einen Weltmarkt von jährlich mehreren Milliarden Euro pro Jahr erreicht“, sagt Professor Christoph Wittmann. Bislang sei die Säure aber nur unter hohem Energieverbrauch aus Erdöl zu gewinnen. Wittmann und sein Team wollen die Substanz künftig aus Abfallstoffen gewinnen. „In der Holz- und Papierindustrie sowie bei der Herstellung von Biotreibstoffen fällt viel Lignin an“, erläutert Wittmann. „Mangels Alternativen wird dies bislang meist nur verbrannt.“

Die Forscher möchten bei ihrem Vorhaben Stoffwechselwege von Bakterien ausnutzen, die verarbeitetes Lignin zu einer Vorstufe der Adipinsäure zusammensetzen können. „In einer chemischen Nachbehandlung, einer sogenannten Hydrierung, wollen wir diese Vorstufe direkt in Adipinsäure umwandeln und daraus dann den hochwertigen Kunststoff zusammenbauen – vollständig biobasiert aus Abfallstoffen“, so Wittmann weiter.

Zudem möchten die Saarbrücker Wissenschaftler ihren innovativen Prozess in den kommenden Jahren derart optimieren, dass die Technologie in der Industrie zum Einsatz kommen kann. „Wir werden daran arbeiten, dass die Bakterien als maßgeschneiderte Zellfabriken den natürlichen Kunststoff mit hoher Ausbeute und Reinheit fertigen“, erläutert der Professor. „Erste Analysen haben bereits gezeigt, dass das Verfahren sowohl sehr umweltschonend als auch wirtschaftlich rentabel sein kann. Es gibt bereits Nachfragen aus der Industrie nach Bio-Nylon.“ Das Bundesministerium für Bildung und Forschung stellt für das Vorhaben in den nächsten drei Jahren insgesamt 1,4 Millionen Euro bereit.

Massenaussterben: Die Ursachen der größten Katastrophen

Im Laufe der Evolution sind in den letzten 500 Millionen Jahren immer wieder Tier- und Pflanzenarten in großer Zahl ausgestorben. Kann bereits das Aussterben weniger oder einzelner Arten zu Kettenreaktionen mit solchen verheerenden Folgen führen? Göttinger Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und der ETH Zürich haben eine mathematische Theorie entwickelt, das unter Verwendung von Fossiliendaten eine Antwort geben kann. Die Theorie zeigt, dass Kettenreaktionen bei der unterschiedlichen Entwicklung der Artenvielfalt im Meer und an Land eine Rolle gespielt haben können. Sie kann dabei helfen, heutige und zukünftige Artensterben zu verstehen.

Bei den fünf größten Massenaussterben in der Erdgeschichte starben jeweils mehr als drei Viertel aller Arten aus, doch danach erholte sich die Artenvielfalt immer wieder. Als Ursachen werden Katastrophen von globaler Größenordnung vermutet, wie z.B. große Meteoriteneinschläge oder Vulkanausbrüche. Aber zum Glück führte nicht jede Naturkatastrophe im Laufe der Erdgeschichte zu einem Massenaussterben, und umgekehrt werden auch diese nicht nur durch globale Naturkatastrophen hervorgerufen.

Das mathematische Modell der Wissenschaftler geht davon aus, dass Arten entweder auf Grund von geänderten Umweltbedingungen aussterben oder durch das Aussterben bestimmter anderer Arten, die für sie unentbehrlich sind. Wenn sich beispielsweise das Klima erwärmt oder abkühlt oder wenn sich die durchschnittliche Niederschlagsmenge oder die Bodenbeschaffenheit ändert, sind dadurch Tiere und Pflanzen bedroht, die sich nicht schnell genug anpassen können oder keinen neuen Lebensraum finden. Wenn dadurch plötzlich einige wichtige Arten fehlen, können andere ebenfalls aussterben, die von ihnen abhängig waren: Das kann geschehen, wenn eine Tierart seine bevorzugte Beute oder Futterpflanze verliert, oder wenn einer Pflanze plötzlich das Insekt fehlt, das sie bestäubt oder der Vogel, der ihre Samen verbreitet.

„Wenn es viele Arten gibt, die von wenigen Arten abhängig sind, ist das Ökosystem instabil. Wenn dann wichtige „Schlüsselarten“ durch veränderte Umweltbedingungen aussterben, kann das eine Kettenreaktion auslösen und zu einem Massenaussterben vieler Arten führen“, erklärt Frank Stollmeier vom Göttinger Max-Planck-Institut. Wenn es dagegen wenige Arten gibt, die von vielen verschiedenen Arten abhängig sind, ist das Ökosystem stabil; veränderte Umweltbedingungen könnten dann zwar viele einzelne Arten auslöschen, aber nicht innerhalb einer großen Kettenreaktion.

 Artenvielfalt im Meer und an Land

Damit kann das Modell auch erklären, warum sich die Artenvielfalt im Meer in den letzten 600 Millionen Jahren anders entwickelt hat als auf dem Land: Nachdem die ersten größeren Lebensformen im Meer entstanden waren, stieg die Artenvielfalt dort zunächst stark an und erreichte vor etwa 450 Millionen Jahren einen Wert, den sie für lange Zeit nicht mehr überschritt. Erst vor etwa 200 Millionen Jahren stieg die Anzahl der Meeresarten nach einem Massenaussterben wieder stark an. An Land dagegen begann der erste Anstieg der Artenvielfalt erst viel später, vor etwa 450 Millionen Jahren. Seitdem ist die kontinentale Artenvielfalt rasant gewachsen und hat die Vielfalt im Meer sogar übertroffen.

Eine zentrale Rolle bei dieser unterschiedlichen Entwicklung spielt in dem Modell das Verhältnis zwischen der Wahrscheinlichkeit, dass eine Art durch Umwelteinflüsse ausstirbt, und der Wahrscheinlichkeit, dass eine neue Art entsteht. Dieses Verhältnis sollte laut dem Modell im Meer höher sein. Eine Analyse von Fossilien-Datenbanken hat in der Tat ergeben, dass Arten im Meer tatsächlich eher aussterben als an Land. Ein Grund dafür könnte sein, dass es im Meer weniger verschiedene Lebensräume gibt als an Land: „Wenn im Meer eine neue Art entsteht, die nicht ideal an Umwelt angepasst ist, hat sie kaum eine Chance, einen neuen Lebensraum zu finden, in dem sie überleben könnte. An Land ist das eher möglich, da es dort sehr viele unterschiedliche Lebensräume gibt“, erklärt Jan Nagler, der die Studie leitete und jetzt an der ETH Zürich arbeitet. Wenn nun die Aussterbewahrscheinlichkeit deutlich kleiner ist als die Wahrscheinlichkeit, dass neue Arten entstehen, bleibt das Ökosystem stabil und die Artenvielfalt wächst schnell. Im umgekehrten Fall wächst die Artenvielfalt langsamer und das Ökosystem wird häufiger instabil.

Dies erklärt, warum die Artenvielfalt im Meer über so lange Zeit stagnierte. Wahrscheinlich war das Ökosystem dort über eine lange Zeit instabil: Es hatten sich zu viele Arten entwickelt, die von wenigen Schlüsselarten abhängig waren, so dass schon das Aussterben von einigen Arten zu einer fatalen Kettenreaktion führte. Somit wurde die Flora und Fauna anfällig für Massenaussterben, die das Wachstum verhinderten. Erst als das Ökosystem einen stabilen Zustand erreicht hatte, in dem weniger Arten von vielen abhingen, konnte die Vielfalt weiter ansteigen.

Das mathematische Modell wurde zwar entwickelt, um die Entwicklung der Artenvielfalt in der Vergangenheit zu erklären, doch es kann auch dazu beitragen, das heutige oder zukünftige Artensterben besser zu verstehen. Es gibt Anzeichen dafür, dass ein neues Massenaussterben begonnen hat, für das der Mensch wahrscheinlich maßgeblich mit verantwortlich ist. Schon 20 bis 40 Prozent der heute bekannten Arten gelten als vom Aussterben bedroht. Leider weiß man empirisch nur wenig darüber, wie sie voneinander abhängen und welche Folgen das Aussterben einer bestimmten Art auf andere hat. Das mathematische Modell ist daher sehr nützlich, um die Prinzipien des Artensterbens zu verstehen, die auch in der aktuellen Situation wirksam sind. (Quelle: idw)

Sensationeller Fischsaurierfund: Neue Gattung des schwäbischen Seedrachen

Fischsaurier
Fischsaurier

Stuttgart. Am Staatlichen Museum für Naturkunde Stuttgart haben Forscher eine international bedeutende Entdeckung gemacht. Im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Lebensweise und Evolution der Fischsaurier wurde ein Fund aus dem Jahr 1975 erstmals wissenschaftlich untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass es sich bei dieser Meeresechse um eine völlig neue Gattung und Fischsaurierart handelt. Und nicht nur das: Der Ichthyosaurier stammt aus einem bisher praktisch „saurierfreien“ Zeitalter (Mittlere Jura-Zeit) und ist ca. 175 Mio. Jahre alt. Für die Wissenschaft ist dieser Fund von großer internationaler Bedeutung, da mit diesem Fossil eine weltweite Fundlücke geschlossen wird. Der neue Fischsaurier gehört in die Verwandtschaft des „Schwäbischen Seedrachen“ (Suevoleviathan), der aus älteren Schichten von Holzmaden bekannt wurde. Damit können die Forscher nun davon ausgehen, dass die urtümlichen Seedrachen im Südwesten Deutschlands länger gelebt haben, als bisher angenommen.

Der Fischsaurier-Fund stammt aus einer inzwischen aufgelassenen Tongrube bei Heiningen im Kreis Göppingen und wurde im Jahr 1975 bei einer Grabung geborgen. Danach kam der Fund in die Sammlungen des Staatlichen Museums für Naturkunde Stuttgart und lag seit damals sicher verwahrt in der wissenschaftlichen Sammlung des Museums. Dort ruhen zahlreiche fossile Schätze – und Arbeit für Jahrhunderte. Denn die geborgenen Fossilien müssen meist in oft monatelanger Arbeit präpariert werden, bevor sie Informationen für die Wissenschaftler preisgeben oder reif für die Präsentation in Ausstellungen sind. Da die Arbeitskraft knapp ist, müssen die Forscher sorgfältig auswählen, welche Fossilien bearbeitet werden. Für das aktuelle Forschungsprojekt der kanadischen Gastwissenschaftlerin Dr. Erin Maxwell und dem Stuttgarter Paläontologen Dr. Rainer Schoch kam der Fischsaurier aus Heiningen nun wie gerufen. Denn – das war den Saurierspezialisten klar – er ist ein absolutes Unikat: Weltweit war bisher kein einziger Fischsaurier aus diesem Zeitabschnitt bekannt. Präparatoren des Staatlichen Museums für Naturkunde Stuttgart haben daraufhin den riesigen, 1,6 Meter langen Schädel, einige Wirbel und Rumpfteile der ca. 7,50 m messenden Meeresechse freigelegt.

Für den Saurierexperten des Staatlichen Museums für Naturkunde Stuttgart, Dr. Rainer Schoch, ist das freigelegte Fossil aus der Zeit des sogenannten „Braunen Juras“ eine Sensation: „Der Fischsaurier-Fund widerlegt frühere Vorstellungen und hilft uns bei der weiteren Erforschung der Saurier, ihrer Entwicklung und Lebensweise. Aufgrund dieses Fundes können wir sogar Aussagen über die Umwelt der Meeresechsen vor 175 Mio. Jahren treffen.“ Für den Urzeit-Forscher ergeben sich dadurch weitere wichtige Rückschlüsse auf die Evolution dieser Tiergruppe.

Nicht nur dieser Fund zeigt: Fischsaurier waren mit ihrem stromlinienförmigen Körper vollkommen an die Lebensweise im Jura-Meer angepasst und echte Erfolgsmodelle der Evolution. Die delphinähnlichen Meeresechsen erlangten bisher vor allem durch viele spektakuläre Funde aus den Ölschiefern in Holzmaden am Fuße der Schwäbischen Alb (Untere Jura-Zeit vor ca. 180. Mio. Jahren) große Berühmtheit. Die weltweit einmalige Besonderheit der baden-württembergischen Fundexemplare unterstreicht nun auch der aktuell bearbeitete, 3-dimensional erhaltene Fund. Da es sich bei diesem Fischsaurier um eine neue Gattung und Art handelt, hat die Meeresechse noch keinen wissenschaftlichen Namen. Dieser wird von den Forschern noch festgelegt. (Quelle: idw)

VW Passat fährt ohne Fahrer im Stadtverkehr von Braunschweig

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Stadtpilot“ hat die Technische Universität Braunschweig in ihrem Kompetenzzentrum, dem Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik, ein Forschungsfahrzeug entwickelt, dass automatisch eine vorgegebene Strecke im regulären Verkehr fährt. Bei Geschwindigkeiten bis 60 km/h kann das Forschungsfahrzeug „Leonie“ auf der zweispurigen Fahrbahn des Braunschweiger Stadtrings die Spur halten, Kreuzungen berücksichtigen, Hindernisse beachten sowie Abstände und Geschwindigkeiten dem fließenden Verkehr anpassen.

Die Fahrstrecke führt über einen Teil des Braunschweiger Stadtrings von der Hans-Sommer-Straße bis zur Kreuzung Mühlenpfordtstraße und zurück. Ein Sicherheitsfahrer, der notfalls eingreifen kann, ist dabei vorgeschrieben.

Forschungsprojekt „Stadtpilot“

Das Forschungsprojekt „Stadtpilot“ ist weltweit bisher das einzige Forschungsprojekt, das automatisches Fahren im realen Stadtverkehr umsetzt. Bereits 2007 hatte die TU Braunschweig mit dem VW Passat Variant „Caroline“ erfolgreich an der DARPA Urban Challenge, dem weltweit führenden Wettbewerb autonomer Fahrzeuge, teilgenommen und war einer der elf Finalisten von ursprünglich 89 Bewerbern. Aufbauend auf diesen Erfahrungen entwickelt ein interdisziplinäres Team aus drei verschiedenen Fakultäten nun den Nachfolger „Leonie“.

„Der Sprung von unserem ersten Fahrzeug ‚Caroline‘ zu ‚Leonie‘ ist groß“, erläutert Professor Markus Maurer. „Während ‚Caroline‘ beim Wettbewerb in einem kontrollierten Szenario gefahren ist, gilt es hier, das reale Verkehrsaufkommen zu bewältigen. ‚Leonie‘ hat es mit vielfältigen Verkehrsteilnehmern zu tun, die unterschiedlich und manchmal sogar regelwidrig fahren. Sie muss ihre Geschwindigkeit dem fließenden Verkehr anpassen. Und schließlich ist natürlich ein umfangreiches Sicherheitskonzept notwendig.“

„‚Leonie‘ muss nicht nur die Verkehrsregeln beherrschen, sondern auch all das, was auch ein Mensch zum Autofahren braucht. Sie muss ihre Umwelt ‚sehen‘, sie muss Entscheidungen treffen und alleine Gaspedal, Bremse und Lenkrad bedienen. Die ersten autonomen Fahrten auf dem Braunschweiger Stadtring sind allein schon auf Grund der realen städtischen Umgebung ein Meilenstein und Grundlage für viele weitere Forschungsjahre“, sagt Projektleiter Jörn Marten Wille.

Ziel des Projekts „Stadtpilot“ in den nächsten Jahren ist es, den Braunschweiger Stadtring vollständig autonom umfahren zu können. Die Herausforderungen dieses Projekts liegen in der besonders komplexen Umgebung: der dichte Verkehr auf der teilweise baulich getrennten zweispurigen Straße stellt erhöhte Anforderungen an die Umfeldwahrnehmung, die engen Straßen erfordern eine präzise Spurplanung und die dichte, urbane Bebauung erschwert die exakte Positionsbestimmung.

Forschungsfahrzeug „Leonie“

„Leonie“ ist ein VW Passat Variant, 2.0 TDI. Via Satellitenortung kann der Wagen seine Position im Straßenverkehr berechnen. Verschiedene Laserscanner und Radarsensoren sorgen dafür, dass „Leonie“ ihr Umfeld in jedem Moment wahrnehmen und dann im Rechner weiterverarbeiten kann.
Das Land Niedersachsen hat die Ausnahmegenehmigung für die Fahrten im realen Stadtverkehr (auf dem Braunschweiger Stadtring) erteilt. Sie basiert auf einem Gutachten des TÜV Nord Mobilität. Ein Sicherheitsfahrer ist dabei vorgeschrieben. Ein weiterer Fahrer gibt derzeit noch die Ampelphase ein, die noch nicht von „Leonie“ erkannt werden. (Quelle: idw; Foto: TU Braunschweig, Forschungsfahrzeug „Leonie“ vor dem Altgebäude der TU Braunschweig.)

Kontakt:
Prof. Markus Maurer
Dipl.-Ing. Jörn Marten Wille
TU Braunschweig
Institut für Regelungstechnik
Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme
Hans-Sommer-Str. 66
D-38106 Braunschweig
Tel.: +49-531/391-63060
E-Mail: maurer@ifr.ing.tu-bs.de
wille@ifr.ing.tu-bs.de

Entwickelt sich das Gehirn durch Selbstorganisation?

Selbstorganisierte Prozesse spielen neben Umwelteinflüssen und genetischen Faktoren eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Gehirns. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team von Forschern, unter anderem aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation, des Bernstein Center for Computational Neuroscience und der Universität Göttingen.

Die Gehirne von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbabys zeigen beispielsweise überraschende Ähnlichkeit: So folgt die Anordnung der Nervenzellen in den Sehrinden der Arten folgt exakt demselben Design. Weder frühe Einflüsse der Umwelt noch Vererbung können diesen Befund erklären. Mithilfe eines mathematischen Modells jedoch konnten die Wissenschaftler die Gehirnarchitektur exakt vorhersagen. Es beschreibt, wie sich neuronale Schaltkreise im Gehirn selbstorganisiert entwickeln. (Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010)

Abb. 1 Die Vorfahren von Spitzhörnchen (rechts) und Buschbaby (links) gehen seit 65 Millionen Jahren getrennte Wege. Dennoch gleichen sich Details ihrer Sehrinden auf verblüffende Weise. Bild: Wikimedia

Nervenzellen in der Sehrinde reagieren auf definierte Bildelemente wie Kanten und Konturen. Jede Zelle hat dabei eine “Orientierungspräferenz”: Sie ist auf bestimmte Kantenverläufe spezialisiert, wie etwa horizontale, vertikale oder schräge Kanten. Werden Zellen gleicher Spezialisierung mit derselben Farbe eingefärbt, erhält man so eine Karte der Orientierungspräferenz. Das fundamentale Strukturelement dieser Karten, das sich über die Sehrinde tausendfach wiederholt, bezeichnen Forscher als Pinwheel (deutsch: Windrad), denn Gebiete derselben Orientierungspräferenz treffen an einem Punkt zusammen – wie die Flügel eines Spielzeug-Windrades (siehe Abbildung 2).

Während frühere Arbeiten erwartet ließen, dass sich die Verteilung der Windräder in den Sehrinden verschiedener Arten stark unterscheiden, fanden die Forscher eine verblüffende Ähnlichkeit bei Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby. Ein Erkennungszeichen dieses gleichen Designs ist die Dichte der Windrädchen. Diese und eine große Zahl anderer Merkmale stimmen bei diesen Arten genau überein. Auf einen vererbten genetischen Bauplan lässt sich dies jedoch nicht zurückführen. Denn der letzte gemeinsame Vorfahre von Frettchen, Spitzhörnchen und Buschbaby lebte vor mehr als 65 Millionen Jahren im Zeitalter der Dinosaurier. Die Gehirne hatten also reichlich Zeit, sich verschieden zu entwickeln. Zudem gibt es Säugetiere, die deutlich enger miteinander verwandt sind als die untersuchten Spezies und dennoch verschieden strukturierte Sehrinden aufweisen. Ebenso wenig bietet der Einfluss von Erfahrung auf die frühe Hirnentwicklung eine Erklärung. Die untersuchten Tierarten finden nach ihrer Geburt völlig verschiedene Umweltbedingungen vor.

Abb. 2 Karte der Orientierungspräferenz in der Sehrinde eines Frettchens. Zwei Pinwheels (Windrädchen) sind vergrößert. Falschfarbendarstellung der Orientierung (siehe Balken links). Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

In empirischen und theoretischen Untersuchungen zeigten die Forscher, dass sich die gleiche Windräderdichte am besten durch Selbstorganisationsprozesse in der Hirnentwicklung erklären lässt. Sobald die Tiere nach der Geburt zu sehen beginnen, bilden sich die Karten der Orientierungspräferenz nach und nach wie von selbst aus. Die mathematische Analyse neuronaler Selbstorganisation zeigte, dass bereits wenige Voraussetzungen ausreichen, um die beobachtete Nervenzellarchitektur hervorzubringen. Zu diesen gehört etwa, dass sich Nervenzellen über weite Distanzen direkt Signale zusenden können. Sind diese und wenige weitere Voraussetzungen erfüllt, stimmen sich die Nervenzellen im Modell während der Hirnentwicklung so aufeinander ab, dass ein so genanntes “quasiperiodisches Muster” ihrer bevorzugten Orientierungen entsteht, ein Muster das sich nie exakt wiederholt.

“Vertraute Beispiele für Selbstorganisationsprozesse sind etwa die La-Ola-Welle begeisterter Zuschauer, die sich bei Sportveranstaltungen über die Stadionränge ausbreitet, oder Stop-and-Go-Wellen im Autoverkehr, die ohne jede äußere Behinderung des Verkehrsflusses spontan auftreten können”, sagt Matthias Kaschube, Lewis-Sigler-Fellow an der Princeton Universität und Erstautor der Studie. Bei diesen Beispielen, wie auch bei allen anderen Selbstorganisationsprozessen, gibt es weder einen versteckten “Lenker”, noch ein verstecktes “Drehbuch”, das die Systemelemente (die Sportfans oder die Verkehrsteilnehmer in obigen Beispielen) dazu zwingt zu tun, was sie tun. Die Bewegung der Elemente resultiert nur aus der Art, wie sie sich gegenseitig beeinflussen.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher für viele Systeme der unbelebten Natur ausgearbeitet, wie mathematische Modelle beim Verständnis solcher Selbstorganisationsprozesse helfen können. Wie Fred Wolf, Leiter der Untersuchung und theoretischer Physiker am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen betont, liefern die neuen Ergebnisse nun maßgeschneiderte mathematische Konzepte für das Verständnis der Wechselwirkungen neuronaler Elemente in der Sehrinde.

Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Originalveröffentlichung: Matthias Kaschube, Michael Schnabel, Siegrid Löwel, David M. Coppola, Leonard E. White & Fred Wolf
Universality in the Evolution of Orientation Columns in the Visual Cortex

Science, Online-Ausgabe vom 4. November 2010

Mehr Info:
Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Wie das Tempo der Evolution für Resistenzen sorgt.

Video: Genmutation

Max-Planck-Forscher messen erstmals, wie schnell sich das Erbgut verändert. Ihre Erkenntnisse erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren.

Mutationen sind das Rohmaterial der Evolution. Schon Charles Darwin hatte erkannt, dass Evolution nur funktionieren kann, wenn es vererbbare Unterschiede zwischen Individuen gibt: Wer besser an die Umwelt angepasst ist, hat größere Chancen, seine Gene weiterzugeben. Eine Art kann sich daher nur weiterentwickeln, wenn sich das Erbgut permanent durch neue Mutationen verändert und die jeweils vorteilhaftesten Veränderungen in der Selektion bestehen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben nun erstmals direkt die Geschwindigkeit des Mutationsprozesses in Pflanzen gemessen. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf einen grundlegenden Vorgang der Evolution und erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren. (Science, 1. Januar 2010)

“Während die langfristigen Auswirkungen von Erbgutmutationen auf die Evolution gut verstanden sind, war bislang weitgehend unbekannt, wie schnell solche Veränderungen auftreten”, erläutert Studienleiter Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut in Tübingen. So ist es gängige Praxis, das Erbgut verwandter Tier- und Pflanzenarten zu vergleichen. Mutationen aber, die in den Jahrmillionen seit der Trennung dieser Arten wieder verlorengegangen sind, bleiben dabei unberücksichtigt. Weigel und seine Mitarbeiter interessierten sich nun dafür, wie die Handschrift der Evolution aussieht, bevor die Selektion eingreift. Hierfür verfolgten sie die genetische Entwicklung von fünf Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über 30 Generationen hinweg. Im Erbgut der letzten Generation untersuchten sie dann, welche Unterschiede sich im Vergleich mit den Ausgangspflanzen ergeben hatten.

Wie der aufwändige Vergleich des gesamten Genoms ergab, waren in nur wenigen Jahren in jeder der fünf Linien im Durchschnitt 20 einzelne DNA-Bausteine – so genannte Basenpaare – verändert worden. “Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer Generation verändert wird, liegt demnach bei rund sieben Milliardsteln”, rechnet Detlef Weigel vor. Anders ausgedrückt, hat ein Keimling im Durchschnitt knapp eine Neumutation in jeder der beiden Erbgutkopien, die er jeweils von der mütterlichen und väterlichen Seite mitbekommen hat. Diese winzigen Veränderungen im rund 120 Millionen Basenpaare umfassenden Genom von Arabidopsis zu finden, vergleicht Weigel mit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen: “Die Mutationen aufzuspüren, war nur mithilfe neuer Methoden möglich, mit denen sich das komplette Erbgut einer Pflanze in kurzer Zeit erfassen lässt”. Dennoch war der Aufwand für die Experimente gewaltig: Um echte Neumutationen zuverlässig von Experimentierfehlern unterscheiden zu können, buchstabierten die Wissenschaftler jedes untersuchte Genom 30-mal vollständig durch.

Hohe Variabilität des Genoms

Angesichts der Genomgröße mag die Zahl der Neumutationen zunächst sehr gering erscheinen. Berücksichtigt man jedoch, dass dieser Prozess bei allen Individuen einer Art parallel abläuft, dann erweist sich das genetische Material insgesamt als erstaunlich plastisch: In nur 60 Millionen Arabidopsis-Individuen ist jede Position des Genoms im Durchschnitt einmal mutiert. Für eine Art, die Tausende von Samen in jeder Generation produziert, wahrlich keine große Anzahl von Pflänzchen.

Neben der Geschwindigkeit, mit der Neumutationen auftreten, wirft die Tübinger Studie ein neues Licht auf deren Verteilung im Genom. So stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht alle möglichen Mutationsklassen gleichmäßig auftreten. Bei vier verschiedenen Arten von Basenpaaren im Genom gibt es sechs Möglichkeiten der Veränderungen – aber eine dieser sechs ist für die Hälfte aller Mutationen verantwortlich. Auch lässt sich nun genauer kalkulieren, wann sich die Entwicklungslinien verschiedener Arten voneinander getrennt haben – gut möglich daher, dass Stammbäume an neue zeitliche Maßstäbe angepasst werden müssen. Detlef Weigel geht anhand der neuen Daten etwa davon aus, dass Arabidopsis thaliana sich von ihrer Schwesterart Arabidopsis lyrata, die in vielen Merkmalen sehr unterschiedlich ist, nicht wie bisher angenommen erst vor fünf Millionen, sondern bereits vor 20 Millionen Jahren getrennt hat. Entsprechende Untersuchungen an anderen Arten könnten ebenfalls Neujustierungen nötig machen – etwa bei der Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Ur- und Frühgeschichte verschiedene Haustiere und Ackerpflanzen domestiziert wurden.

Hohe Mutationsrate fördert Resistenzen gegen Herbizide

Auch für die Pflanzenzüchtung ergeben sich neue und Erfolg versprechende Gedankenexperimente. Bei genügend großen Populationen kann davon ausgegangen werden, dass nahezu jede mögliche Mutation im Verlauf einer oder weniger Generationen realisiert wird. Das bedeutet, dass spontan auftretende Mutationen, die den Ertrag steigern oder Pflanzen gegen Dürre unempfindlich machen, vermutlich gar nicht so selten sind, auch wenn das Auffinden geeigneter Veränderungen immer noch sehr aufwändig bleibt. Auf der anderen Seite treffen Herbizide, die auf große Flächen ausgebracht werden, auf eine umfangreiche Population von Unkräutern. Da deren Erbgut mit großer Wahrscheinlichkeit ähnlich wandlungsfreudig ist wie das der Ackerschmalwand, verwundert es nicht, dass Herbizidresistenzen innerhalb von wenigen Jahren auftauchen. “Dieser Effekt ist auch deshalb besonders deutlich ausgeprägt, weil Herbizide oft nur die Funktion eines einzelnen Gens beeinträchtigen”, sagt Detlef Weigel. Ein Ausweg wäre die Suche nach Herbiziden, die auf mehrere Gene wirken.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass auch das menschliche Genom einer ähnlich schnellen Veränderung unterworfen ist. “Wenn man unsere Ergebnisse auf den Menschen überträgt, dann finden von einer Generation zur nächsten durchschnittlich 60 Basenaustausche statt”, rechnet Weigel vor. Bei mehr als sechs Milliarden Menschen, die derzeit auf der Erde leben, bedeutet das, rein statistisch betrachtet, dass es für jede Stelle des Erbguts Dutzende von Erdbewohnern gibt, bei denen diese Position mutiert ist. “Alles, was genetisch möglich ist, wird demnach innerhalb recht kurzer Zeit durchgetestet”, resümiert Detlef Weigel und beschreibt damit einen völlig neuen Blick auf die Evolution, der man sonst eher ein Arbeitstempo zuschreibt, das sich in Jahrtausenden oder gar Jahrmillionen bemisst.

Originalpublikation
The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana. Science, 1. Januar 2010. (Quelle: idw)

Gene oder Umwelt – was prägt den Menschen stärker?

Replikation der DNA

Unser flexibles Erbe

Die Gene des Menschen sind höchst flexibel, denn viele Umweltfaktoren beeinflussen, ob sie überhaupt abgelesen werden oder nicht. Für Psyche und Verhalten ebenso wichtig ist die Frage, welche Erbinformation vom Vater und welche von der Mutter stammt. Läuft hier etwas schief, können seelische Krankheiten entstehen.

Gene oder Umwelt – was prägt den Menschen stärker? Keines von beiden, sagen Forscher! Denn die vermeintlichen Kontrahenten arbeiten in Wirklichkeit Hand in Hand. Wie, das untersucht die “Epigenetik”, deren wichtigste Erkenntnisse die November-Ausgabe des Magazins “Gehirn&Geist” (11/2009) vorstellt.

Wie kanadische Forscher herausfanden, entscheiden frühkindliche Erfahrungen mit darüber, ob bestimmte Stressgene abgelesen werden oder nicht: Bei Suizidopfern, die als Kinder sexuell oder körperlich missbraucht worden waren, war ein Erbfaktor blockiert, der normalerweise die Stressresistenz fördert. An der DNA saßen so genannte Methylgruppen, die das Ablesen des Gens unterbanden. Auch eineiige Zwillinge, die bekanntlich genetisch identisch sind, offenbaren mit zunehmendem Lebensalter unterschiedliche Methylierungsmuster. Die unterschiedlichen Lebenserfahrungen brennen sich quasi in ihre DNA. Dies erklärt, warum ein Zwilling an einer psychischen Krankheit wie Schizophrenie leiden kann, ohne dass sein Geschwister ebenfalls betroffen sein muss.

Eine wichtige Rolle spielt auch, von welchem Elternteil das jeweilige Erbgut stammt. Denn von manchen Genen werden die väterlichen, von anderen die mütterlichen Versionen bereits im Embryo stillgelegt. Diese “genomische Prägung” scheint nach neusten Forschungsergebnissen größeren Einfluss auf die psychische Entwicklung zu haben, als bislang vermutet. So wird die Reifung bestimmter Hirnregionen eher durch mütterliche, andere Areale dagegen durch väterliche Gene gesteuert.

Inzwischen kennen Epigenetiker etliche Krankheiten, die durch Prägungsfehler ausgelöst werden. Wenn etwa ein bestimmter Abschnitt des von der Mutter geerbten Chromosoms 15 fehlt, zeigt das Kind Entwicklungsdefizite, die als Angelman-Syndrom bekannt sind. Ist dagegen das väterliche Chromosom betroffenen, löst dies das Prader-Willi-Syndrom mit geistiger Behinderung und Stoffwechselstörungen aus. Auch bei Autismus, Schizophrenie, Depression und sogar Alzheimer-Demenz könnte die genomische Prägung maßgebend sein.

Quelle: Gehirn&Geist, November 2009

Wie die Umwelt unsere Gene beeinflusst


 

Unser flexibles Erbe

Die Gene des Menschen sind höchst flexibel, denn viele Umweltfaktoren beeinflussen, ob sie überhaupt abgelesen werden oder nicht. Für Psyche und Verhalten ebenso wichtig ist die Frage, welche Erbinformation vom Vater und welche von der Mutter stammt. Läuft hier etwas schief, können seelische Krankheiten entstehen.

Gene oder Umwelt – was prägt den Menschen stärker? Keines von beiden, sagen Forscher! Denn die vermeintlichen Kontrahenten arbeiten in Wirklichkeit Hand in Hand. Wie, das untersucht die “Epigenetik”, deren wichtigste Erkenntnisse die November-Ausgabe des Magazins “Gehirn&Geist” (11/2009) vorstellt.

Wie kanadische Forscher herausfanden, entscheiden frühkindliche Erfahrungen mit darüber, ob bestimmte Stressgene abgelesen werden oder nicht: Bei Suizidopfern, die als Kinder sexuell oder körperlich missbraucht worden waren, war ein Erbfaktor blockiert, der normalerweise die Stressresistenz fördert. An der DNA saßen so genannte Methylgruppen, die das Ablesen des Gens unterbanden. Auch eineiige Zwillinge, die bekanntlich genetisch identisch sind, offenbaren mit zunehmendem Lebensalter unterschiedliche Methylierungsmuster. Die unterschiedlichen Lebenserfahrungen brennen sich quasi in ihre DNA. Dies erklärt, warum ein Zwilling an einer psychischen Krankheit wie Schizophrenie leiden kann, ohne dass sein Geschwister ebenfalls betroffen sein muss.

Eine wichtige Rolle spielt auch, von welchem Elternteil das jeweilige Erbgut stammt. Denn von manchen Genen werden die väterlichen, von anderen die mütterlichen Versionen bereits im Embryo stillgelegt. Diese “genomische Prägung” scheint nach neusten Forschungsergebnissen größeren Einfluss auf die psychische Entwicklung zu haben, als bislang vermutet. So wird die Reifung bestimmter Hirnregionen eher durch mütterliche, andere Areale dagegen durch väterliche Gene gesteuert.

Inzwischen kennen Epigenetiker etliche Krankheiten, die durch Prägungsfehler ausgelöst werden. Wenn etwa ein bestimmter Abschnitt des von der Mutter geerbten Chromosoms 15 fehlt, zeigt das Kind Entwicklungsdefizite, die als Angelman-Syndrom bekannt sind. Ist dagegen das väterliche Chromosom betroffenen, löst dies das Prader-Willi-Syndrom mit geistiger Behinderung und Stoffwechselstörungen aus. Auch bei Autismus, Schizophrenie, Depression und sogar Alzheimer-Demenz könnte die genomische Prägung maßgebend sein.  Quelle: Gehirn&Geist, November 2009

Archäologische Sensation: Bronzezeitliches Holz wie frisch erhalten.

Neue archäologische Entdeckungen im Königspalast von Qatna in Syrien: Mehrstöckige Räume, verstürzte Deckenbalken, Tontafeln, und ein Elefant

(idw). Die Fortsetzung der archäologischen Ausgrabungen in der historisch höchst bedeutenden bronzezeitlichen Königsstadt Qatna (modern Tell Mishrife, 200 km nördlich von Damaskus) in Syrien hat überraschende neue Ergebnisse erbracht. Seit 1999 gräbt ein deutsch-syrisches Archäologenteam unter der gemeinsamen Leitung von Prof. Dr. Peter Pfälzner und Heike Dohmann-Pfälzner vom Altorientalischen Seminar der Universität Tübingen und Dr. Michel Maqdissi von der Antikendirektion Damaskus im bronzezeitlichen Königspalast von Qatna, der in der Zeit zwischen 1700 und 1340 vor Christus erbaut und benutzt wurde. 2002 waren hier ein wichtiges Keilschrift-Archiv und das berühmte Königsgrab gefunden worden. In der 10. Ausgrabungskampagne von Juli bis September 2008 haben die Tübinger Archäologen den Westflügel des Königspalastes entdeckt und teilweise freigelegt, der durch einen außergewöhnlich guten Erhaltungszustand ausgezeichnet ist. Die architektonischen Untersuchungen sorgten für eine große Überraschung: Das Gebäude muss in diesem Teil ehemals dreistöckig gewesen sein. Das oberste Stockwerk ist durch Erosion zerstört worden. Die beiden unteren Stockwerke aber sind vollständig erhalten geblieben. Die Mauern aus Lehmziegeln ragen noch bis zu 5,20 Meter auf. Darunter liegen Fundamente von 3,10 Metern Höhe. Zusammengenommen besitzen die Ruinen des Westflügels des Königspalastes eine Höhe von 8,30 Metern. Zum ersten Mal ist in Vorderasien ein derartig gut erhaltenes, mehrstöckiges Lehmziegelgebäude aus der Bronzezeit gefunden worden.

Diese Entdeckung liefert eine Reihe wichtiger neuer Erkenntnisse für die Baugeschichte des Alten Orients. Durchgänge und Türen, Fußböden und Decken haben sich hier in ungewöhnlicher Vollständigkeit erhalten. Teilweise eingestürzte Balkendecken tragen die Fußböden des oberen der beiden erhaltenen Stockwerke, welches bisher ausgegraben worden ist. Einzigartig ist die Aufdeckung von vier in einer Flucht liegenden Türen mit einem jeweils vollständig erhaltenen Bogen aus Lehmziegeln. Sie gehören zu den am besten erhaltenen bronzezeitlichen Bogenkonstruktionen des gesamten Vorderen Orients.

Direkt an den Westflügel angrenzend wird bereits seit mehreren Jahren von den Tübinger Archäologen der voluminöse Palastbrunnen ausgegraben. Jetzt gelang dem Team auch hier eine archäologische Sensation: In 17 Meter Tiefe unter den Palastfußböden wurden in dem weiten Brunnenschacht große Mengen von Feuchtholz gefunden, das bei der Zerstörung des Palastes um 1340 vor Christus in die Tiefe gestürzt war. Die Hölzer wurden in originaler Lage angetroffen, so wie sie Jahrtausende vorher aufeinander gefallen waren. Aufgrund des feuchten Erdreichs hat sich das bronzezeitliche Holz in fast frisch wirkendem Zustand erhalten. Es fanden sich große Deckenbalken von 5 Metern Länge und 800 kg Gewicht, aber auch Holzdielen und Kanthölzer mit regelmäßigen Zapflöchern. Das Holz muss sowohl von einer zerstörten Balkendecke, als auch von anderen Holzkonstruktionen innerhalb des Raumes stammen. Für die hoch entwickelte altorientalische Zimmermannstechnik vor 3500 Jahren liefern diese im ariden Syrien bisher einmaligen Funde wertvolle neue Erkenntnisse.

Ein Raum des Westflügels des Königspalastes enthielt noch unfangreiche Bestandteile seines ehemaligen Inventars. Dazu gehören Hunderte von Keramikgefäßen, Steinperlen sowie zahlreiche Abrollungen von kunstvoll geschnittenen Siegeln auf Plomben und Verschlüssen von Waren. Besonders wichtig sind drei mit Keilschrift beschriebene Tontafeln. Sie stellen sicherlich Verwaltungsdokumente aus dem Königspalast dar und versprechen nach ihrer Entzifferung wichtige Hinweise auf die Aktivitäten im Palast zu geben.

Als sensationell kann die Entdeckung von mehreren großen, intakten Knochen eines Elefanten gelten. Sie waren in zwei Räumen des Königspalastes zu einem noch unbekannten Zweck um ca. 1400 vor Christus abgelegt worden. Es handelt sich um den bisher umfangreichsten und vollständigsten archäologischen Fund von Elefantenknochen in Syrien. Diese Entdeckung ist für die Naturgeschichte der heute größtenteils ariden und baumlosen Landschaften Syriens von großer Bedeutung. Die Elefanten müssen während der Bronzezeit in Sümpfen im Tal des Orontes westlich von Qatna gelebt haben. Die Knochen werden jetzt von der Archäozoologin Dr. Emmanuelle Vila (Lyon) zoologisch und gentechnisch untersucht, mit dem Ziel, die Herkunft der syrischen Elefanten zu klären.

Historisch ist dieser Fund mit den Berichten der ägyptischen Pharaonen Thutmosis I (um 1500 v. Chr.) und Thutmosis III. (um 1450 v. Chr.) über die Jagd auf Elefanten in Westsyrien während ihrer dorthin unternommenen Feldzüge zu verbinden. Letzterer berichtet sogar darüber, 120 Elefanten in Westsyrien gejagt und getötet zu haben – unweit von Qatna. Die historischen Berichte und der archäologische Fund stammen aus derselben Zeit. Der Fund in Qatna belegt folglich, dass die propagandistischen Berichte der ägyptischen Herrscher über Elefantenjagden in Syrien auf realen Voraussetzungen beruhen. Außerdem wird durch diese Entdeckung belegt, dass nicht nur die Pharaonen, sondern auch die syrischen Könige in der damaligen Zeit Elefanten jagten. Die Elefantenknochen dürften einst als Jagdtrophäe oder vielleicht auch als eine besondere Mahlzeit in den Königspalast von Qatna gebracht worden sein.

Die Jagden, die in erster Linie dem Erhalt des wertvollen Elfenbeins und auch der Selbstdarstellung der Könige dienten, und insbesondere die ägyptischen Tiermassaker der Späten Bronzezeit führten allerdings zur vollständigen Ausrottung der Elefanten in Syrien. Hiermit wird ein Licht geworfen auf ein frühes Beispiel einer rücksichtslosen Ausrottung einer Großwildart in einer gesamten Region durch eine hoch entwickelte Zivilisation. Der Elefant von Qatna ist deshalb zugleich Sinnbild für die Macht und das Prestige der alten syrischen Könige als auch für einen unverantwortlichen Raubbau an der Umwelt aus Profitgründen.
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Peter Pfälzner
Altorientalisches Seminar
Schloss Hohentübingen
72070 Tübingen
Tel.: 07071-2976771
E-Mail: peter.pfaelzner@uni-tuebingen.de