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Was ist eigentlich Entropie?

Entropie

Die Entropie wird oft missverständlich als eine Art „Unordnung“ bezeichnet. Doch das greift viel zu kurz. Einst eingeführt, um den begrenzten Wirkungsgrad von Dampfmaschinen zu erklären, wird der Begriff heute auch in vielen anderen Disziplinen genutzt.

Kaum ein Begriff der Physik wird so gerne außerhalb der Physik benutzt – und so oft abweichend von seiner eigentlichen Bedeutung – wie der der Entropie. Dabei hat der Begriff durchaus eine eng umrissene Bedeutung. Eine konkrete Definition dieser physikalischen Größe stellte der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts auf. Er konzentrierte sich auf das mikroskopische Verhalten eines Fluids, also eines Gases oder einer Flüssigkeit. Die ungeordnete Bewegung von Atomen oder Molekülen darin verstand er dabei als Wärme, was für seine Definition entscheidend war.

Entropie in der Badewanne

In einem abgeschlossenen System mit festem Volumen und fixer Teilchenzahl, so legte Boltzmann fest, ist die Entropie proportional zum Logarithmus der Anzahl von Mikrozuständen in dem System. Unter Mikrozuständen verstand er alle Möglichkeiten, wie sich die Moleküle oder Atome des eingesperrten Fluids anordnen können. Seine Formel definiert die Entropie somit als ein Maß für die „Anordnungsfreiheit“ der Moleküle und Atome: Steigt die Zahl der einnehmbaren Mikrozustände, dann wächst die Entropie. Gibt es weniger Möglichkeiten, wie sich die Teilchen des Fluids anordnen können, ist die Entropie kleiner.

Boltzmanns Formel wird oft so interpretiert, als sei die Entropie gleichbedeutend mit „Unordnung“. Dieses vereinfachte Bild führt allerdings leicht in die Irre. Ein Beispiel dafür ist der Schaum in einer Badewanne: Wenn die Bläschen zerplatzen und die Wasseroberfläche glatt wird, hat es den Anschein, als nehme die Unordnung ab. Die Entropie tut das aber nicht! Tatsächlich nimmt sie sogar zu, denn nach dem Zerplatzen des Schaums ist der mögliche Aufenthaltsraum für die Moleküle der Flüssigkeit nicht mehr auf die Außenhäute der Bläschen beschränkt – die Zahl der einnehmbaren Mikrozustände hat sich also vergrößert. Die Entropie ist gewachsen.

Mithilfe der Boltzmannschen Definition lässt sich eine Seite des Begriffs verstehen – doch die Entropie hat auch eine andere, makroskopische Seite, die der deutsche Physiker Rudolf Clausius bereits einige Jahre zuvor aufgedeckt hatte. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts wurde die Dampfmaschine erfunden, eine klassische Wärmekraftmaschine. Wärmekraftmaschinen wandeln einen Temperaturunterschied in mechanische Arbeit um. Physiker versuchten damals zu begreifen, welchen Prinzipien diese Maschinen gehorchen. Die Forscher stellten nämlich irritiert fest, dass sich nur ein paar Prozent der thermischen Energie in mechanische Energie umwandeln ließen. Der Rest ging irgendwie verloren – ohne dass sie den Grund verstanden.

Wertigkeit der Energie

Der Theorie der Thermodynamik schien ein physikalisches Konzept zu fehlen, das die unterschiedliche Wertigkeit der Energie berücksichtigt und die Fähigkeit begrenzt, thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. In Gestalt der Entropie kam die Lösung. Mitte des 19. Jahrhunderts führte Clausius den Begriff als thermodynamische Größe ein und definierte ihn als makroskopisches Maß für eine Eigenschaft, die die Nutzbarkeit von Energie begrenzt.

Clausius zufolge hängt die Entropieänderung eines Systems von der zugeführten Wärme und der dabei herrschenden Temperatur ab. Zusammen mit Wärme wird immer Entropie übertragen, so sein Fazit. Darüber hinaus stellte Clausius fest, dass die Entropie in geschlossenen Systemen, anders als die Energie, keine Erhaltungsgröße ist. Diese Erkenntnis ging als der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in die Physik ein:

„In einem geschlossenen System nimmt die Entropie niemals ab.“

Die Entropie nimmt demnach immer zu oder bleibt konstant. Damit wird in die Physik geschlossener Systeme ein Zeitpfeil eingeführt, denn bei wachsender Entropie sind thermodynamische Prozesse in geschlossenen Systemen unumkehrbar (oder irreversibel).

Reversibel (umkehrbar) wäre ein Prozess nur dann, wenn die Entropie konstant bliebe. Das ist aber bloß theoretisch möglich. Alle realen Prozesse sind irreversibel. Frei nach Boltzmann kann man auch sagen: Die Zahl der möglichen Mikrozustände nimmt jederzeit zu. Diese mikroskopische Interpretation erweitert die thermodynamisch-makroskopische Interpretation durch Clausius. Durch die Entropie ließ sich das Rätsel um die verschwundene Energie in Wärmekraftmaschinen endlich auflösen (siehe Kasten). Ständig entzieht sich ein Teil der Wärmeenergie der mechanischen Nutzbarkeit und wird wieder abgegeben, weil die Entropie in geschlossenen Systemen nicht abnehmen darf.

Vielseitiger Einsatz

Seit den Erkenntnissen von Clausius und Boltzmann ist die Entropie auch in andere Bereiche der Physik eingezogen. Sogar außerhalb der Physik griff man sie auf, jedenfalls als mathematisches Konzept. Beispielsweise führte der US-amerikanische Mathematiker und Elektrotechniker Claude Shannon im Jahr 1948 die sogenannte Informationsentropie ein. Mit dieser Größe charakterisierte er den Informationsverlust in Übertragungen per Telefonleitung.

Auch in der Chemie und Biologie spielt die Entropie eine Rolle: In bestimmten offenen Systemen können sich neue Strukturen bilden, sofern Entropie nach außen abgegeben wird. Es muss sich dabei um sogenannte dissipative Systeme handeln, bei denen also Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Diese Theorie der Strukturbildung stammt vom belgischen Physikochemiker Ilya Prigogine. Bis heute werden Arbeiten veröffentlicht, in denen der physikalischen Tragweite des Konzepts neue Aspekte hinzugefügt werden.

Wirkungsgrad und Entropie

Warum ist der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen begrenzt? Rudolf Clausius löste dieses Rätsel, indem er den Begriff der Entropie einführte. Der Physiker betrachtete den Kreisprozess einer idealisierten Wärmekraftmaschine, bei dem sich Expansion und Kompression unter isothermen (konstante Temperatur) und isentropen (konstante Entropie) Bedingungen abwechseln. Durch Verknüpfung der Energieerhaltung mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich in diesem sogenannten Carnotprozess die folgende Ungleichung für den Wirkungsgrad:

η≤(T1T2)/T1

T1 und T2 sind die beiden Temperaturen, zwischen denen der Kreisprozess betrieben wird. Der maximal erreichbare Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist also durch thermodynamische Gesetzmäßigkeiten begrenzt. Ein Beispiel: Wird die Maschine zwischen 100 und 200 Grad Celsius betrieben, dann liegt der maximal erreichbare Wirkungsgrad bei rund 27 Prozent (die Temperaturwerte müssen in der Einheit Kelvin in die Formel eingesetzt werden).

Aus der Energieerhaltung und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik lassen sich auf mathematischem Weg auch noch zwei weitere nützliche Erkenntnisse ableiten: Wärme kann nur dann von einem kalten auf einen warmen Körper übergehen, wenn Arbeit aufgewendet wird – Kühlschränke und Wärmepumpen benötigen eine Energiezufuhr. Zweitens lässt sich mit einem Wärmereservoir konstanter Temperatur keine Arbeit verrichten. Dazu ist immer der Fluss von Wärme zwischen Reservoirs unterschiedlicher Temperatur notwendig.

Entropie in Formeln

Der Begriff Entropie ist eine Neubildung durch Rudolf Clausius aus griechischen Wörtern und bedeutet übersetzt ungefähr „Wandlungsgehalt“. Laut dem Physiker hängt die Entropieänderung ΔS eines Systems folgendermaßen mit der zugeführten Wärme und der Temperatur zusammen:

ΔS=ΔQ/T

Dabei bezeichnet ΔQ eine kleine, dem System reversibel zugeführte Wärmemenge und T die Temperatur, die bei dieser Übertragung herrscht. Die Formel besagt, dass zusammen mit Wärme immer Entropie übertragen wird. Boltzmanns Definition der Entropie beruht auf dem Verständnis der Wärme als ungeordnete Bewegung von Atomen oder Molekülen. Ihm zufolge ist die Entropie S durch folgende Formel gegeben:

S=k lnW

Die Entropie ist also proportional zum Logarithmus der Zahl W der „Mikrozustände“ eines Systems, wobei alle anderen Parameter – wie Volumen und Teilchenzahl – konstant sind. Mit den Mikrozuständen sind die Möglichkeiten gemeint, wie die Moleküle oder Atome eines eingesperrten Fluids angeordnet sein können. Die Konstante k ist die Boltzmann-Konstante.

Autor: Sven Titz; Quelle: Welt der Physik; Lizenz: CC by-nc-nd

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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

Überlichtgeschwindigkeit: Schneller als Einstein erlaubt?

Heidelberg. Viele wissenschaftliche Erkenntnisse haben sich fest im Fundus der Allgemeinbildung verankert. So beispielsweise, dass Licht sich stets geradlinig ausbreitet oder sich ein Objekt höchstens mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Doch in unserem Universum trifft das nicht immer zu – und das wusste schon Einstein und war damit völlig einverstanden.

Seine Umwelt verstehen zu wollen, liegt in der Natur des Menschen. Um diesem Wunsch nachzukommen, bedienen wir uns unseres gesunden Menschenverstandes. Dies tun wir auch dann, wenn dieses Streben uns hinaus in die Weiten des Kosmos führt. Doch wenn wir versuchen, zur Erklärung kosmologischer Phänomene die uns aus dem Alltag vertrauten Vorstellungen über Raum und Zeit zu nutzen, stoßen wir rasch an unsere Grenzen. Denn eine ganze Reihe kosmischer Phänomene lässt sich mit dem Konzept eines unveränderlichen dreidimensionalen Raums nicht erklären. Das geht nur anhand einer formbaren vierdimensionalen Raumzeit. Dass sich auch dieses Konzept anschaulich verstehen lässt und wie es all die merkwürdigen Vorgänge im Kosmos erklärt, ist in der Titelgeschichte ‘Kosmologische Kuriositäten’ (Teil 1) der Februarausgabe von “Sterne und Weltraum” zu lesen.

Die Kosmologie ist die Wissenschaft, die unser Universum als Ganzes beschreibt. Ihr zu Grunde gelegt ist die Einsteinsche allgemeine Relativitätstheorie, in der der Physiker die Gravitation erklärt – jene Kraft, die als einzige über die riesigen Distanzen im Kosmos hinweg wirken kann. In seiner Theorie stellte Albert Einstein die Verbindung zwischen der Schwerkraft und der Raumzeit her. Seitdem ist die vierdimensionale Raumzeit als ein formbares dynamisches Gebilde zu verstehen.

Zu den Kuriositäten dieser Theorie gehört beispielsweise, dass sich Licht von Massen auf krumme Bahnen zwingen lässt. Im Weltraum breitet es sich also nicht unbedingt entlang gerader Linien aus! Ebenfalls kurios ist die Expansion unseres Universums. Doch was dehnt sich dabei eigentlich aus? Das Weltall mit all seinen Inhalten? Es ist der Raum, der mit der Zeit expandiert, nicht jedoch darin enthaltene Körper, die durch die Schwerkraft zusammengehalten werden. Unsere Erde etwa oder auch die Galaxien behalten ihre Größe bei.

Auch, dass sich manche Galaxien mit Überlichtgeschwindigkeit von uns entfernen, lässt die Kosmologie zu – und das widerspricht nirgends der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit eine konstante Größe ist, die auch durch größte Beschleunigung nicht überschritten werden kann.

Zum Hintergrund: Albert Einstein entwickelte die allgemeine Relativitätstheorie völlig eigenständig in jahrelanger mühsamer Arbeit. Sie beschreibt die Wirkung der Schwerkraft durch das Konzept einer gekrümmten Raumzeit. Unser Universum dehnt sich aus, und das sogar immer schneller. Physiker bezeichnen dies als beschleunigte Expansion und verstehen darunter, dass die Abstände in unserem Universum mit der Zeit immer schneller anwachsen. Für den Nachweis dieses Expansionsverhaltens wurde 2011 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Bestimmt wird diese Expansion des Universums von seinem Materie- und Energieinhalt. Dass Licht von Massen abgelenkt wird, kann sogar bei Sonnenfinsternissen durch astronomische Beobachtungen gemessen werden. Auch Gravitationslinsen im Universum zeigen die Wechselwirkung von Licht mit Massen auf: Bei diesen Objekten handelt es sich um kosmische Ansammlungen von Materie, die Licht von dahinter liegenden Quellen verzerren. (Quelle: Sterne und Weltraum, Februar 2013 )

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Sensationelle Erkenntnis: Verletzung der Kausalität in der Natur möglich

Ein tief verwurzeltes Konzept in der Wissenschaft und in unserer Alltagserfahrung ist die Kausalität: die Idee, dass gegenwärtige Ereignisse durch vergangene Ereignisse verursacht werden und dass gegenwärtige Ereignisse wiederum zukünftige Ereignisse verursachen. Wenn ein Ereignis A eine Wirkung B verursacht, kann B nicht auch A verursachen. Nun zeigen theoretische Physiker von der Universität Wien und der Université Libre de Bruxelles, dass in der Quantenmechanik eine Situation vorstellbar ist, in der ein einzelnes Ereignis zugleich Ursache und Wirkung eines anderen Ereignisses sein kann. Die Forschungsergebnisse dazu erscheinen in der aktuellen Ausgabe von “Nature Communications”. Sensationelle Erkenntnis: Verletzung der Kausalität in der Natur möglich weiterlesen

Was ist das Wesen von Raum und Zeit?

Grundfragen der Naturwissenschaft:

Was ist Realität? Warum läuft Zeit immer nur in eine Richtung? Was bedeutet Kausalität, also die eindeutige Zuordnung von Ursache und Wirkung? Antworten auf diese Fragen der modernen Naturphilosophie liefert die Quantenphysik. Aber auch in der Biologie spielt beispielsweise die Frage nach der Kausalität eine grundlegende Rolle.

Allerdings wirft die Frage nach der Kausalität in der Genetik Fragen auf, die sich nur philosophisch beantworten lassen. So fand das Problem, das die Rolle der Gene im Organismus betrifft, erst kürzlich eine befriedigende Lösung. Gene gelten als Informationsträger, die den Aufbau der Proteine in einem Organismus bestimmen. Zur Herstellung von Eiweißstoffen bedarf es jedoch einer äußerst komplexen biochemischen Maschinerie, zu der auch so genannte Ribosome sowie Hunderte von Enzymen gehören.

Deshalb schreibt die Entwicklungssystemtheorie allen Bestandteilen einer lebenden Zelle die gleiche kausale Rolle zu. Diese Ansicht lässt sich rein empirisch (also nur durch Experimente) nicht widerlegen, sondern nur durch philosophische Überlegungen. Die Lösung des Problems gelang durch Unterscheidung zwischen aktuellen und potenziellen Einflussgrößen: Die einen variieren tatsächlich, die anderen könnten es zwar, tun es aber nicht. Zusätzlich ist es nötig, den Begriff der so genannten kausalen Spezifität einzuführen. Sie ist erfüllt, wenn jede Ursache eine eindeutige Wirkung hat und jede Wirkung nicht zu viele verschiedene Ursachen. Mit diesen beiden Begriffen lässt sich die besondere kausale Rolle der Gene bei der Proteinsynthese begründen.

Ein Beispiel betrifft die Ontogenese: die Entwicklung vom Embryo zum ausgewachsenen Organismus. Als Hauptkontrollgene dafür gelten so genannte Homöobox-Gene, die Forscher zuerst bei der Taufliege und später bei vielen anderen Organismen einschließlich des Menschen identifiziert haben. Dabei sind an der Embryonalentwicklung eines Tiers Tausende verschiedener Faktoren beteiligt. Sie beginnt in einer befruchteten Eizelle, die nicht bloß aus Genen besteht, sondern ein chemisch äußerst komplexes Gemisch von diversen Nukleinsäuren, Proteinen, kleineren Molekülen und Fetten ist. Der Einwand “Aber die Gene steuern die Entwicklung” ist aus streng kausaltheoretischer Sicht nicht zulässig; denn “steuern” setzt einen Steuermann voraus – ein absichtlich handelndes Wesen, das es offensichtlich nicht gibt.

Noch tiefer reichen die Fragen in der Physik. Naturphilosophie versucht da nicht weniger als die Grundlagen der Natur zu klären – etwa, was Objekte, Raum und Zeit, Kausalität, Zeitrichtung und Naturgesetze sind. Die Quantenphysik erfordert es, die klassische atomistische Sicht der Natur durch eine holistische Perspektive zu ersetzen. Wie der Übergang von quantenmechanischen Phänomenen zu klassischen Eigenschaften genau abläuft, ist dabei eine offene Frage. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2011)

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

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)

Spontane Selbstentzündung: schauriger Spuk jetzt aufgeklärt?

(DailyNet) Es klingt wie ein unheimlicher Spuk, ist aber offenbar Realität: Die spontane Verbrennung von Menschen. Dabei verbrennen die Menschen angeblich plötzlich von innen heraus, indem sich im Körper Flammen bilden. Aber wie kommt es zu dieser spontanen Selbstentzündung, bei der die Umgebung seltsamerweise verschont bleibt? Ein Wissenschaftler aus Neuseeland glaubt, das Geheimnis jetzt gelüftet zu haben.Am bitterkalten 5. Dezember 1966 verließ Don E. Gosnell morgens sein Haus in Coudersport, der Kreisstadt von Pennsylvania, um wie üblich für die Gaswerke Zähler abzulesen. Sein erster Besuch galt dem bekannten und als Familienarzt beliebten Dr. John Irving Bentley, der sich mit 92 Jahren im Ruhestand befand. Im Haus des Doktors bemerkte er einen feinen blauen Rauch und ein etwa 1 Meter großes Loch in der Decke. Als er nach dem Doktor sehen wollte, fand er nur noch den Rest des Beines.

Hinter der schaurigen Geschichte verbirgt sich ein Phänomen, welches in der Literatur als spontane Selbstentzündung beschrieben wird. Meist verbrennen die gesamten Körper zu einem kleinen Haufen Asche, jedoch wird trotz der großen Hitzeentwicklung meistens kaum etwas außer dem Körper zerstört. Gelegentlich sind die Opfer in ihrer Kleidung verbrannt, ohne die Kleidung dabei zu beschädigen. Die genauen Ursachen für dieses Phänomen sind bis heute nicht geklärt.

Nicht jeder hat schon einmal von diesem Phänomen gehört. Doch in Mysterienkreisen ist es schon lange bekannt: Bei der spontanen Selbstentzündung oder kurz SHC („spontaneous human combustion”) brennen Personen auf einmal und nichts kann sie retten, bis sie zu einem Häufchen Asche verbrannt sind. Die Schädel sind nach der Verbrennung nicht zerplatzt, sondern geschrumpft. Außerdem fehlt meist jeglicher Brandgeruch. Ungewöhnlich ist auch die große Hitze, die nötig ist um einen menschlichen Körper zu verbrennen. In einem Krematorium muss über mehrere Stunden eine Temperatur über 1400°C aufrechterhalten werden. Aber eine spontane Selbstverbrennung geschieht meist in einem Zeitraum von wenigen Minuten. Deshalb ist auch sehr verwunderlich, dass die Umgebung dabei noch nicht einmal angekohlt wird. Und das ist auch das Interessanteste an diesem Phänomen. Deshalb wäre auch ein Anzünden nicht dasselbe wie eine spontane Selbstverbrennung, denn beim Anzünden wird auch die nähere Umgebung in Mitleidenschaft gezogen und das ist bei SHC nicht der Fall. Aber warum können Menschen auf einmal in Flammen aufgehen?

„Das Phänomen erinnert an ein plötzlich auftretendes Mikrowellenfeld”, erklärt Professor John Abrahamson von der University of Canterbury in Christchurch. Der Wissenschaftler hat die Entstehungsursachen der seltenen Kugelblitze erforscht. Ein großer Kugelblitz, so argumentiert er, könnte mit einem menschlichen Körper die gleiche Wirkung wie ein Mikrowellenherd hervorrufen.

Auch für die Entstehung eines Kugelblitzes hat der Forscher eine Erklärung. „Wenn der Blitz ins Erdreich trifft, können darin enthaltene Silikate und Kohlenstoffverbindungen zu Silizium reagieren”, argumentiert er. Danach müsse sich im getroffenen Gegenstand eine Art Röhre durch den Blitzschlag bilden. Aus dieser Röhre entweiche dann eine Blase gasförmigen Siliziums. Dies, so Abrahamson, könne man sich in etwa so vorstellen wie einen Raucher, der mit dem Mund Rauch ausstößt. Sich vor einem Kugelblitz zu schützen, dürfte nicht einfach sein. Denn wenn er selbst in Häuser eindringt, gibt es vor ihm wohl keinen absoluten Schutz, vor allem nicht vor Verbrennungen.

Quelle: Rolf Froböse, „Wenn Frösche vom Himmel fallen – die verrücktesten Naturphänomene”. (Wiley-VCH, 2007). Jetzt im Handel.

Über die Wechselwirkung der Naturkräfte, Hermann von Helmholtz

Helmholtz: Die Wechselwirkung der Naturkräfte
Helmholtz: Die Wechselwirkung der Naturkräfte. Foto: Sedlacek

Die Physik hat mit dem Prinzip der Energieerhaltung eine Errungenschaft von sehr allgemeinem Interesse gemacht. Es handelt sich dabei um ein Naturgesetz, welches das Wirken sämtlicher Naturkräfte in ihren gegenseitigen Beziehungen zueinander beherrscht und eine ebenso große Bedeutung für unsere theoretischen Vorstellungen von den Naturprozessen hat, als es für die technische Anwendung derselben von Wichtigkeit ist.
Das Prinzip besagt: Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt konstant. Zwar kann Energie zwischen verschiedenen Energieformen umgewandelt werden, beispielsweise von Bewegungsenergie in Wärmeenergie. Es ist jedoch nicht möglich, innerhalb eines abgeschlossenen Systems Energie zu erzeugen oder zu vernichten. Das ist der Grund, warum die Suche nach einem Perpetuum mobile in die Irre führt.
Endgültig ausformuliert wurde der Energieerhaltungssatz 1847 von Hermann von Helmholtz. In der vorliegenden Schrift über die „Wechselwirkungen der Naturkräfte“ gibt Helmholtz dem Leser allgemeinverständlich eine sehr plastische Vorstellung über das Wirken von Kräften in den Naturprozessen, die mit geringfügigen Modifikationen heute nach wie vor ihre Gültigkeit hat.
Für alle, die das Wirken der Natur besser verstehen wollen.

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Von der Weltseele zum Quantenvakuum von Kurd Lasswitz

Lasswitz, Kurd: Von der Weltseele zum Quantenvakuum. Foto:Sedlacek
Lasswitz, Kurd: Von der Weltseele zum Quantenvakuum. Foto:Sedlacek

Das Grundproblem aller Naturerklärung ist gleichbedeutend mit der so einfach klingenden Frage: Worin besteht die Wechselwirkung der Dinge? Die Realität des mathematischen Gesetzes, die den Gedankengang Platons beherrschte, gibt uns nur einen Teil der gesuchten Aufklärung über die Realität der Dinge. Es muß noch eine andere Realität geben als die mathematische Form, einen Inhalt in den Dingen, der im Raum sich stößt und treibt, den wir als Empfindung in Ton und Farbe, als Druck und Wärme erleben. Wie kann sich die Wissenschaft dieses Inhalts bemächtigen?

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