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plus

KLAUS TSCHIRA PREIS für verständliche Wissenschaft

Eine Sonderpublikation in Zusammenarbeit mit der Klaus Tschira Stiftung gGmbH bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 2, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Die Klaus Tschira Stiftung fördert vor allem

Forschungsvorhaben der angewandten Informatik, der Naturwissenschaften und der Mathematik

die Lehre an den Hochschulen

Schülerprojekte der Bereiche Naturwissenschaften, Mathematik und Informatik.

Bei allen Aktivitäten ist die KTS darauf bedacht, das Verständnis der Öffentlichkeit für Naturwissenschaften, Mathematik und Informatik zu fördern. bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 3, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Wissen zieht: Mit einer Lok machte die Klaus Tschira Stiftung auf ihren Preis aufmerksam. 2007 sprangen fünf junge Wissenschaftler auf den Erfolgszug auf. ZUR SACHE

ENGLISCH IST WICHTIG, DEUTSCH ABER AUCH! INHALT WER ALS NATURWISSENSCHAFTLER etwas bewegen will, braucht eine internationa- le Karriere. Stets im selben Institut zu arbeiten, ist geradezu verpönt. Viele Nachwuchsforscher gehen deshalb unmittelbar nach ihrer Promotion ins Aus- 3 Zur Sache land. Dort sind ihre Chancen oft hervorragend. Denn überall in der Welt gelten in Deutschland ausgebildete Physiker, Chemiker oder Mathematiker als be- 4 Kleine Wunder selbst kreiert sonders befähigt. Die meisten zieht es in die Die Nachwuchsförderung der USA. Das Land bietet sich gleich mehrfach Klaus Tschira Stiftung an: In vielen Wissenschaftsdisziplinen sind US-Institute führend. Der dortige Lebensstil 6 Der Erfolg ließ nicht auf sich warten gilt als unkompliziert. Und Englisch ist die Was aus den Preisträgern 2006 wurde Sprache, in der die meisten Wissenschaftler verkehren. Wieder zurück in Germany ist es 7 Impressum dann naheliegend, den englischen Slang bei- zubehalten, Grafiken englischsprachig zu er- 8 Das Ende der Eis-Zeit? klären, ja am besten gleich alle Vorträge auf Dirk Notz, Physik Englisch zu halten, damit man international auch verstanden wird. Gut so. Doch nicht gut 12 Von diskreten Mathematikern

K. Mellenthin genug! Denn die deutsche Öffentlichkeit wird und Wanderungen im Gebirge Wolfgang Hess, Chefredakteur dadurch ausgeschlossen vom Wissenserwerb. Sebastian Sager, Mathematik Dabei bemängeln gerade Wissenschaftler das dürftige öffentliche Interesse an ihrer Arbeit. Doch wie soll Interesse geweckt 16 Die Nadel im nervösen Heuhaufen werden, wenn kein Laie versteht, worum es geht? Wer die Öffentlichkeit mobi- Jacqueline Burré, Chemie lisieren will, muss deren Sprache sprechen. Die wenigen Wissenschaftler, die das können, haben Zulauf und sind gefragte Medienpartner. 20 Wenn das Gehirn am Steuer sitzt Miriam Spering, Neurowissenschaften Dass aus den Wenigen viele werden, ist eine Aufgabe, die Klaus Tschira – Mit- begründer der SAP AG – bundesweit in Angriff genommen hat. Zum zweiten 24 Riproximin: Schamanen-Pulver Mal nach 2006 werden junge Wissenschaftler mit dem Klaus Tschira Preis für oder Krebsmedikament? verständliche Wissenschaft ausgezeichnet. In diesem Jahr sind es drei Frauen Cristina Voss, Biologie und zwei Männer, die in den Fächern Biologie, Chemie, Neurowissenschaften, Mathematik und Physik einen Preis erhielten. Am 11. Oktober bekamen sie in einer Festveranstaltung in Heidelberg ihre Urkunden überreicht – verbunden mit einem Preisgeld von je 5000 Euro. Gewürdigt wurde dadurch eine wissen- schaftlich hervorragende Promotionsarbeit, die so gekonnt zusammengefasst wurde, dass deren Inhalt und Relevanz jeder Interessierte verstehen kann.

Wir freuen uns, die von der Jury ausgewählten Beiträge in diesem bild der

wissenschaft-plus vorzustellen. Alle Texte präsentieren wir in der Originalfas- gGmbH Stiftung Tschira Klaus sung. Für die Optik sorgte die bdw-Redaktion. Und noch ein Anlass zur Freu- de: Bei der diesjährigen Ausschreibung gab es 132 Bewerbungen. Gegenüber dem Vorjahr ist das ein Plus um fast 60 Prozent. Die Bewerber haben sich der Mühe unterzogen, ihre erste wissenschaftliche Arbeit für die Öffentlichkeit aufzuarbeiten. Dafür gebührt allen großer Dank. Wir vertrauen darauf, dass der Klaus Tschira Preis die Gewinner motiviert, ihre Forschung auch künftig so

darzustellen, dass sie Außenstehende begreifen. Was daraus werden kann, K. Marx gGmbH, Montage: Stiftung Tschira Klaus Cover: offenbart der Beitrag über die Vorjahressieger in diesem Heft. Strahlende Gesichter bei der Verleihung des Klaus Tschira Preises 2006 in Heidelberg

bild der wissenschaft plus | 3 bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 4, 18.09.2007, 19:31, KMARX

KLEINEKLEINE WUNDERWUNDER SELBSTSELBST KREIERTKREIERT

Wie lockt man den Nachwuchs in die Naturwissenschaft? Die Klaus Tschira Stiftung schafft es mit dem Projekt Explore Science, bei dem schon Fünftklässler zu Forschern werden.

Text: Thorsten Langscheid

WIE BEKOMMT MAN ein selbst konstruiertes fest im Stadtpark. Sie schuften mit glühen- kinder, Lernorte im ganzen Luisenpark und U-Boot dazu, ohne Fernsteuerung in einem den Gesichtern bis zum letzten Augenblick, eine interaktive Physikshow auf der See- Becken abzutauchen, am Boden unter Was- um ihren Beitrag erfolgreich im Schüler- bühne waren die Hauptattraktionen. Sci- ser zu verharren und nach einer festgesetz- wettbewerb zu präsentieren, sie verfolgen ence-Promis wie die Moderatorin der Fern- ten Zeit selbstständig wieder aufzutauchen? gespannt, was ihre Mitbewerber zu bieten seh-Sendung „Wissen macht Ah!“, Shary Gute Frage. Und wenn man's geschafft hat, haben und diskutieren hartnäckig mit Wis- Reeves, und der Comedian Bürger Lars Diet- wenn das Boot so taucht wie verlangt, wie senschaftlern, Lehrern und Betreuern. rich, traten als Star-Wissensvermittler bei erklärt man's dann seinen Freunden, der Explore Science 2007 schlug gut und ger- der spannenden Eröffnungsshow auf. Familie oder der Öffentlichkeit? Mitunter ist ne 22 000 Menschen in den Bann. So viele Mit zum Programm gehören die nicht dies sogar viel schwieriger. Naturwissen- kamen als Zuschauer, besuchten die Aus- minder interessanten Kurzvorlesungen, die schaft und Technik verstehen und verständ- stellungen oder verfolgten als Gasthörer das zahlreiche Kinder und Jugendliche anlo- lich machen ist eine Aufgabe, die schon spannende und unterhaltsame Vortragspro- cken. Trocken vom Katheder herab zu dozie- ganzen Pädagogen-Generationen jede Men- gramm: „Es war ein tolles Gewimmel“, ge Nerven gekostet hat. Wer im Sommer im zieht Renate Ries, Sprecherin der Klaus Mannheimer Luisenpark vorbeischaut, der Tschira Stiftung, strahlend Bilanz. Damit kann dort von der Klaus Tschira Stiftung das „Gewimmel“ gut über die Bühne geht, (KTS) lernen, wie es gemacht wird. leisten an die 300 Helfer ganze Arbeit. Allei- Mehr als 5000 Schüler, die ihre eigenen ne an den sechs Physik-Wettbewerben be- Forschungs- und Entwicklungsprojekte prä- teiligen sich regelmäßig weit über 2000 Ju- sentieren, in Labor- und Experimentierzel- gendliche, deren Beiträge von fachkundi- ten erste wissenschaftliche Gehversuche un- gen Juroren – Wissenschaftlern aus den ternehmen oder als Science-Reporter über Hochschulen der Region – begutachtet und die Arbeit ihrer Altersgenossen berichten, bewertet werden. Im Mittelpunkt der dies-

zeigen, dass Wissenschaft verstehen und jährigen Veranstaltung stand in enger Ko- M. Winter verständlich machen alles andere als ein operation mit dem Mannheimer Landesmu- aussichtsloses Unterfangen ist. Das Ganze seum für Technik und Arbeit das Thema Tüfteln und Verstehen: Bei Explore nennt sich Explore Science und ist nicht etwa „Bionik – Lernen nach dem Vorbild der Na- Science bauen Schüler U-Boote (oben), ein dröger Schüler-Kongress. Im Gegenteil: tur“. Experimentalvorträge, Mitmachaktio- nehmen Gestein unter die Lupe (Mitte) und Vier Tage lang feiern die Jugendlichen ein nen, Schülerlabore, ein spezielles Pro- lassen Froschmodelle springen (rechts). gigantisches, fröhliches, begeisterndes Lern- gramm für Kindergarten- und Grundschul-

4 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 5, 18.09.2007, 19:31, KMARX

um die unterhaltsame und verständliche KLAUS TSCHIRA STIFTUNG KOMPAKT Vermittlung naturwissenschaftlicher Inhal- te. „Wir wollen einem Song wie ‚We don't Naturwissenschaften, need no education‘ etwas entgegensetzen, Mathematik und an- was den jungen Leuten Spaß macht“, so gewandte Informatik Tschiras einleuchtende Begründung für sein – diese Themen ste- Engagement. In den Schulen der Rhein-Ne- hen im Mittelpunkt ckar-Region hat Explore Science bereits sei- der Förderung durch die Klaus Tschira Stif- nen festen Platz gefunden: KTS-Geschäfts- tung (KTS). 1995 errichtete Klaus Tschira stellenleiterin Beate Spiegel und ihr für die die KTS in Form einer gemeinnützigen Schülerwettbewerbe verantwortlicher Kol- GmbH und stattete sie mit einem großen lege Markus Bissinger registrieren gleich in Teil seines Privatvermögens aus, das er den ersten beiden Jahren des zunächst auf als Mitgründer des Softwareunterneh- fünf Jahre angelegten Projektes „überwälti- mens SAP verdient hatte. Die Klaus Tschira gende Teilnehmerzahlen“. Und regelrechte Stiftung gehört zu den großen Stiftungen Fans, die jedes Jahr wiederkommen, haben der Bundesrepublik, die Wissenschaft die naturwissenschaftlichen Erlebnistage und Bildung fördern. Sitz der Stiftung ist bereits jetzt. die Villa Bosch in Heidelberg. Kein Wunder: Mit Explore Science hat Die Stiftung unterhält ein eigenes For- Klaus Tschira, dessen schiere Lust an allem, schungsinstitut, fördert wissenschaftliche was mit den Naturwissenschaften und ihrer Projekte sowie die Lehre an staatlichen

Klaus Tschira Stiftung gGmbH Stiftung Tschira Klaus Vermittlung zu tun hat, ansteckend ist, eine und privaten Hochschulen und unter- Über 5000 neugierige Jugendliche kamen begeisternde Veranstaltung in der Rhein- stützt naturwissenschaftlich-technische in den Luisenpark in Mannheim. Neckar-Region aufgebaut. Kernstück der Kindergarten- und Schülerprojekte. Be- Erlebnistage ist der Schülerwettbewerb, sonders setzen sich Klaus Tschira und sei- den Axel Carl organisiert, von Hause aus ne Mitarbeiter dafür ein, naturwissen- ren ist dabei strengstens verboten. Wissen- Fachmann für Tieftemperaturphysik. schaftliche Themen in der Öffentlichkeit schaftler, die eine Einladung zum Explore Carl ist ein pädagogisches Naturtalent. zu vermitteln. Zu den selbst organisierten Science-Experimentalvortrag erhalten, müs- Statt in abgedunkelten Hörsälen trockene Projekten zählen unter anderen der Klaus sen schon etwas zu bieten haben. In diesem Theorie-Vorträge zu halten, turnt er lieber Tschira Preis für verständliche Wissen- Jahr brachten die Experten zum Beispiel die in T-Shirt, Jeans und Trekking-Stiefeln den schaft, Kommunikationstrainings für Wis- Erklärung mit, wie Fledermäuse an ihre ganzen Tag mit „seinen“ Schülern draußen senschaftler, die naturwissenschaftlichen nächtliche Lebensweise angepasst sind, wo- herum, bastelt Ultraleicht-Flugzeuge, lässt Erlebnistage Explore Science sowie der Ju- rin der Unterschied zwischen einem fliegen- Frösche im Dreisprung hüpfen oder U-Boo- gendsoftwarepreis. den Vogel und einem einige hundert Tonnen te in den Fluten von Planschbecken und schweren Düsenklipper besteht, und wa- Aquarien versinken. Carls Erfolgsrezept Mehr Informationen gibt es unter rum Lebewesen überhaupt in die Luft ge- lautet ganz einfach: „Wir machen keine rei- www.kts.villa-bosch.de hen. Mit im Publikum sitzen stets Fünft- ne Besten-Auswahl“ – ein Konzept, das klässler, die für den täglich erscheinenden auch Klaus Tschira, SAP-Mitbegründer und „Science Express“ die Vortragsqualität beur- Geldgeber der Heidelberger Klaus Tschira ence grundsätzlich bunt gemischt in allen teilen. Die Science-Reporter nehmen in ih- Stiftung überzeugte. „Die pfiffigste Idee ist Altersgruppen an, und schon wird aus dem ren Berichten kein Blatt vor den Mund – sie bei unserem Wettbewerb genauso wichtig kompetitiven Gegeneinander des Kampfs loben, aber sie kritisieren auch bei Bedarf. wie die technische Umsetzung.“ um den Sieg ein kooperatives Ringen um die Klaus Tschiras Stiftung geht es bei alldem „Die Jugendlichen merken auf einmal, besten Ergebnisse. Tatsächlich: Dass die dass sie selbst wissen wollen, wie etwas Jüngsten mit Plastikdose und Sand vom funktioniert“, erklärt Carl. „Die Lehrer sol- Spielplatz eine geniale Lösung der ein- len ihnen gar nicht so viel dabei helfen, die gangs geschilderten U-Boot-Aufgabe prä- sollen sie höchstens betreuen und unter- sentieren und damit einen zweiten Platz stützen.“ Die Schüler treten bei Explore Sci- belegen, während eine Elftklässler-Truppe noch fieberhaft an ihrem hochkomplexen, computergesteuerten Tauchgerät arbeitet und schließlich wegen technischer Proble- me aufgeben muss, macht den Reiz dieses grandiosen „Wettbewerbs des Miteinan- der“ aus. Gelernt haben am Ende nämlich ■ Klaus Tschira Stiftung gGmbH; M. Winter gGmbH; M. Stiftung Tschira Klaus alle zusammen etwas.

bild der wissenschaft plus | 5 bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 6, 18.09.2007, 19:31, KMARX

DER ERFOLG LIESS NICHT AUF SICH WARTEN

Es lohnt sich, Wissenschaft verständlich zu machen. Alle Klaus Tschira- Preisträger 2006 sind seit der Preisvergabe auf der Karriereleiter ein paar Sprossen nach oben gestiegen. Klaus Tschira Stiftung gGmbH Stiftung Tschira Klaus Text: Cornelia Varwig

HABEN SIE EINE AHNUNG, worum es in der Dok- geht. Doch Kritik nimmt er gelassen. gen einen Wunsch: Der Kern der eigenen torarbeit mit folgendem Titel geht: „Multi- Schließlich habe es auf den Siegerbeitrag Arbeit soll noch genauer dargestellt wer- dimensionale Schwingungsspektroskopie überwiegend positive Reaktionen gegeben. den. „Es ist leichter, einen Überblick zu ge- Wasserstoff-verbrückter Systeme in flüssi- Zwar genießt der gebürtige Hamburger der- ben, als den Inhalt einer Dissertation zu er- ger Phase: Kopplungsmechanismen und zeit noch die Forschungsatmosphäre am klären. Doch genau das ist gewollt.“ Ins- strukturelle Dynamik“? Kaum zu glauben, Lawrence Berkeley Laboratory, das von der dass der Autor dieser Arbeit einen Preis für dortigen Elite-Universität betrieben wird, Florian Bredenbruch verständliche Wissenschaft bekommen ha- doch dauerhaft möchte er in Europa leben ben soll. Doch – genau darin bestand die und forschen. Er meint: „Die Juniorprofes- Leistung von Nils Huse und den anderen sur und mehr Geld für die Universitäten fünf Gewinnern des ersten bundesweiten sind immerhin erste Schritte, um deutsche Klaus Tschira Preises für verständliche Wis- Wissenschaft attraktiver zu machen.“ senschaft 2006: Sie haben ihre für die Fach- An der US-amerikanischen Forschungs- welt verfassten Dissertationen in gut les- mentalität orientiert sich auch der Klaus bare, spannende Artikel verdichtet. Tschira Preis. „Es ist wichtig, dass die For-

Nils Huses Arbeit mit dem komplizierten scher ihre Erkenntnisse der Öffentlichkeit S. Kröger Titel machte letztes Jahr unter der Über- schrift „Das kurze Gedächtnis des Wassers“ Armin Fügenschuh gesamt ist die Stiftung mit der Ausbeute von im Fach Physik das Rennen. Der Wissen- 132 Einsendungen zufrieden: 54 Beiträge schaftler, der gegenwärtig an einem For- kamen aus der Biologie, 25 von Physikern, schungsprojekt im kalifornischen Berkeley 16 von Informatikern, 15 aus der Chemie, arbeitet, erinnert sich gut daran, wie sein 13 aus der Mathematik und 9 von Neuro- Wasser-Artikel hohe Wellen schlug. Denn wissenschaftlern. „Das Verhältnis von Män- nebenbei zeigte Huse darin, dass ein Was- nern und Frauen hielt sich in etwa die Waa- sergedächtnis, das homöopathische Hei- ge“, berichtet Ries. lung erklären soll, so nicht existiert – eine Bei der schwierigen Aufgabe, aus dem

Aussage, die manchen gegen den Strich T. Wegner Angebot an wissenschaftlichen Delikates- sen die Filetstücke 2007 herauszufischen, Nils Huse vermitteln können“, weiß Renate Ries von hatte diesmal auch Armin Fügenschuh ein der Klaus Tschira Stiftung. Das ist mit den Wörtchen mitzureden. Der Preisträger 2006 ausgezeichneten Wissenschaftlern der ers- im Fach Mathematik saß in der Endjury ne- ten Ausschreibung gelungen: „Sie haben ben Winfried Göpfert, dem emeritierten den Sprung ins Radio und in Tageszeitun- Professor für Wissenschaftsjournalismus, gen geschafft“, freut sich Ries. Die Sonn- Wolfgang Klein, dem Geschäftsführenden tagsausgabe der Rheinpfalz brachte einige Direktor des Max-Planck-Instituts für Psy- Siegertexte jeweils auf einer ganzen Seite. cholinguistik, Konrad Müller, dem General- Trotz des Erfolgs haben Renate Ries und sekretär der European Life Scientist Organi- Beate Spiegel, die die Geschäftsstelle der sation ELSO und dem bdw-Chefredakteur

D. Gust Stiftung leitet, für die künftigen Einsendun- Wolfgang Hess.

6 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 7, 18.09.2007, 19:31, KMARX

„KlarText!“ (Stele links) haben alle Preis- träger 2006 gesprochen und damit ihr Wissen der Öffentlichkeit näher gebracht.

Die öffentliche Aufmerksamkeit, die Lunge von Mukoviszidose-Kranken eine Christian Schmitz durch den Klaus Tschira Preis entstanden chronische Infektion verursachen. „Nach ist, hat Fügenschuh in seinem Beruf nach der Veröffentlichung meines Beitrags be- vorne katapultiert. Seine Berechnungen für dankte sich eine Patientin per E-Mail bei optimale Schulanfangszeiten und die damit mir. Und die Mutter einer Kranken fragte verbundene Einsparung von Schulbussen nach Tipps und weiteren Ergebnissen“, be- waren ein „gefundenes Fressen“ für Journa- richtet Bredenbruch. Er sei zwar kein Medi- listen und Politiker. „Hätte ich nur in Fach- ziner und könnte daher keine ärztlichen zeitschriften veröffentlicht, wäre das The- Ratschläge geben, betont der Wissenschaft- ma bald erledigt gewesen. Die Anwendung ler vom Helmholtz-Zentrum für Infektions-

macht die Sache erst interessant“, meint Fü- forschung in Braunschweig. Doch nach den T. Wegner genschuh. In einem mittelhessischen Land- kreis ist bereits eine Vorstudie abgeschlos- Alexander Maier Der Neurowissenschaftler Alexander sen. Hier könnten acht Busse weniger fah- Maier hat das Preisgeld in einen leistungs- ren und dem Landkreis pro Bus rund 30 000 fähigen Computer für seine Arbeit inves- Euro jährliche Zuschüsse sparen. Dank Fü- tiert. Er erforscht seit 2004 an den National genschuh kann womöglich auch bald in an- Institutes of Health in Bethesda, Maryland, deren Branchen gespart werden: „Für den das menschliche Bewusstsein – auch das Güterverkehr auf Schienen entwickeln wir Thema seiner Doktorarbeit. „Den Text für gerade ein Konzept. Und ein großes deut- den Klaus Tschira Preis auf Deutsch zu sches Luftfahrtunternehmen hat Interesse schreiben, war nach so langer Zeit im Aus-

für die Optimierung von Abflugzeiten ange- M. Katz land keine leichte Übung. Meine Familie und Freunde haben mir geholfen“, erzählt Maier. Peter Birkholz positiven Reaktionen wisse er es umso mehr In die USA ging kurz nach der Preisver- zu schätzen, wenn seine Forschung zu wei- leihung auch Christian Schmitz. Der Chemi- teren Therapiemöglichkeiten führen würde. ker, der zuletzt am Max-Planck-Institut Auch den Informatiker Peter Birkholz hat (MPI) für Metallforschung in Stuttgart die Auszeichnung mit dem Klaus Tschira forschte, ist in nächster Zeit an der Harvard Preis zu einem überdurchschnittlichen En- School of Engineering and Applied Sciences gagement für sein Fach motiviert. Er hatte anzutreffen. Dort setzt er seine bisherige sich mit einem Bericht über die Computersi- Arbeit fort: Er nutzt künstliche, der Biologie mulation menschlicher Sprache beworben. nachempfundene Mikrostrukturen, um Re-

R. Frommann Nun betreibt er eine eigene Internetseite aktionen von Enzymen und Zellen zu un- (www.vocaltractlab.de), auf der er die tersuchen. Bei seiner Bewerbung für den meldet.“ Wenn alles nach Plan läuft, wird Sprach- und Gesangssynthese anschaulich Klaus Tschira Preis hatte er mit seinem Bei- Fügenschuh bald ein selbstständiger Unter- erklärt. In mehreren Bereichen ist auch eine trag über künstliche Zellrinde überzeugt. nehmer sein – mit einer Firmenausgrün- praktische Anwendung seiner Forschung Zwar war Schmitz mit dem Arbeitsumfeld dung des Mathematik-Lehrstuhls der TU geplant: Mediziner der RWTH Aachen wol- am MPI in Stuttgart zufrieden, doch die Darmstadt. Fügenschuh: „Diesen Erfolg füh- len sein Konzept für die Entwicklung einer quirlige „Harvard-Atmosphäre“ begeistert re ich auch auf den Tschira Preis zurück.“ Sprachtherapie verwenden. Und Birkholz, ihn. „Diese Elite-Einrichtungen, bei denen Dem Preis verdankt auch der Biologe der sich die Phonetik im Selbststudium bei- Leistung der entscheidende Maßstab ist, Florian Bredenbruch, dass seine Erkenntnis- gebracht hat, arbeitet an der Verbesserung vermisse ich in Deutschland“, bemängelt se aus der Grundlagenforschung plötzlich eines Vorleseautomaten. Das Preisgeld von Schmitz. Initiativen wie den Klaus Tschira Ärzte und Patienten interessierten. Er be- 5000 Euro steckte er in den Bau eines huma- Preis sieht er deshalb sehr positiv, da sie schäftigte sich in seiner Arbeit mit der noiden Roboters – neben der Sprachsimulati- Leistung honorieren – und damit junge „Kommunikation“ von Bakterien, die in der on seine zweite Leidenschaft. Wissenschaftler motivieren. ■

IMPRESSUM

Klaus Tschira Preis Verlagsleitung: Joachim Bettinger Druck: für verständliche Wissenschaft Konradin Druck Eine Sonderpublikation von Chefredakteur: Wolfgang Hess Ernst-Mey-Straße 8 bild der wissenschaft in Zusammenarbeit 70771 Leinfelden-Echterdingen mit der Klaus Tschira Stiftung gGmbH Projektteam (Text): Renate Ries, Cornelia Varwig, Sandra Murr Klaus Tschira Stiftung gGmbH Herausgeberin: Katja Kohlhammer Villa Bosch Grafische Gestaltung: Karl Marx Schloss-Wolfsbrunnenweg 33 Verlag: 69118 Heidelberg Konradin Medien GmbH Bildredaktion: Susanne Söhling-Lohnert Ernst-Mey-Straße 8 www.kts.villa-bosch.de 70771 Leinfelden-Echterdingen Vertrieb: Rüdiger Eichholz www.klaus-tschira-preis.info bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 8, 18.09.2007, 19:31, KMARX

PHYSIK

Wie schnell das Packeis der Arktis schmilzt, hängt auch von seinem Salzgehalt ab. Der ist erstmals vor Ort genau messbar. Das soll zur Präzisierung bisheriger Klimamodelle beitragen. DAS ENDE DER EIS-ZEIT?

Durch die Klimaerwärmung hat sich die Fläche des arktischen Meereises in den letzten Jahrzehnten rapide verringert. Um die zukünftige Entwicklung besser vorhersagen zu können, verwendeten Wissenschaftler der University of Cambridge jetzt eine neuartige Theorie – und stießen dabei auf Widersprüche zu früheren Messergebnissen.

Text: Dirk Notz

„IST ES NICHT HERRLICH, dieses Wunderwerk stehen, wie dieses „Wunderwerk aus gefro- aus gefrorenem Meerwasser?“ Grae Worster, renem Meerwasser“, gemeinhin auch ein- Professor an der University of Cambridge, fach „Meereis“ genannt, entsteht, welche zeigt mit einer weit ausholenden Armbewe- Struktur es hat, wie es mit der Atmosphäre gung fasziniert über die Landschaft. Vor ihm und dem Ozean in Wechselwirkung tritt. erstreckt sich eine Weite von eigentümlicher Und obwohl die Wissenschaftler scheinbar Schönheit und Unnahbarkeit, eine unend- völlig ohne Hektik damit beschäftigt sind, für liche weiße Fläche, die aus nichts als gefrore- ihre Messinstrumente Löcher in das knapp nem Licht zu bestehen scheint. Die einzigen einen halben Meter dicke Eis zu sägen, ha- Farbtupfer werden von einer kleinen Gruppe ben sie doch unbewusst das Gefühl, unter Wissenschaftler gebildet, die mitten in dieser enormem Zeitdruck zu stehen. Denn die scheinbar so lebensfeindlichen Welt ihr Welt, die im Moment ihr Zuhause bildet, ist

T. Heller für bdw Camp aufgeschlagen haben. Ihr Ziel: zu ver- vom Verschwinden bedroht.

DR. DIRK NOTZ

* 1975 in Genf (Schweiz) 1994 Abitur Zivildienst ab 1996 Meteorologiestudium an der Universität Hamburg und an der Uni- versity Centre in Svalbard, Spitzbergen 2001 Diplom-Meteorologe 2002 bis 2005 Doktorand an der University of Cambridge, UK 25.3.2006 Promotion (PhD) seit 2005 Postdoc am Max-Planck- Institut für Meteorologie in Hamburg ab 2008 Leiter der Nachwuchsgruppe „Meereis im Erdsystem“ am MPI

[email protected] @

8 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 9, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Messungen von U-Booten aus deuten Für solche Prognosen ist die realistische darauf hin, dass sich in den letzten Jahr- Simulation von Meereis in Computermodel- zehnten die durchschnittliche Dicke des len notwendig. Dabei liegt eine der Haupt- Meereises in der Arktis um 40 Prozent ver- schwierigkeiten darin, den Salzgehalt von ringert hat. Seine Fläche in den Sommermo- Meereis wirklichkeitsgetreu nachzubilden. naten hat im Vergleich zu den Siebzigerjah- Im Gegensatz zu dem Eis, das sich auf Seen ren um fast zwei Millionen Quadratkilo- oder Flüssen bildet, besteht Meereis näm- meter abgenommen, der Lebensraum un- lich nicht nur aus gefrorenem Wasser. Bei zähliger Tierarten ist in nur dreißig Jahren näherem Hinsehen erkennt man vielmehr um das Fünffache der Fläche Deutschlands unzählige, millimeterdünne, senkrecht an- geschrumpft. Und das Abschmelzen des geordnete Blättchen aus reinem Eis, zwi- Meereises scheint sich fortzusetzen: Einige schen denen sich eine flüssige Salzlake be- der am weitesten entwickelten Klimamo- findet. Wenn Ozeanwasser gefriert, wird delle sagen übereinstimmend voraus, das im Wasser gelöste Salz von den sich bil- dass möglicherweise schon Mitte die- denden Eiskristallen zur Seite gedrückt und ses Jahrhunderts der Arktische Ozean in der Salzlake immer stärker konzentriert. im Sommer vollständig eisfrei sein Wegen ihres hohen Salzgehalts bleibt die könnte. Lake auch bei Temperaturen weit unterhalb von Null Grad Celsius flüssig. Das Vorhandensein dieser Salzlake in Meereis hat einen bisher kaum verstande- nen Einfluss auf die zukünftige Entwick- lung unseres Erdklimas. So hängt zum Bei- spiel das Isolationsvermögen von Meereis, das den Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre erheblich reduziert, von der Menge der vorhandenen Salzlake ab. Ohne die Bedeckung durch Meereis würde der Ozean im Winter gigantische Mengen Wärme an die Atmosphäre abgeben, ähn- lich wie ein Topf mit heißem Wasser Wärme an die viel kältere Küchenluft abgibt, wenn man den Deckel abnimmt. Noch wichtiger für die Wechselwirkung der Salzlake mit dem globalen Klima ist

Eine gespenstige Stimmung herrscht am Arbeitsplatz von Dirk Notz. Er verbringt mehrere Wochen auf dem Segelschiff „Dagmar Aaen“ in der Arktis.

bild der wissenschaft plus | 9 bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 10, 18.09.2007, 19:31, KMARX

PHYSIK

jedoch die Tatsache, dass ein Großteil der über die Weltmeere ausbreitet. Um die glo- Salzgehalts von Meereis zugrunde liegen, ursprünglich im Eis vorhandenen Salzlake balen Ozeanströmungen, das Absinken und immer noch aus. im Laufe der Zeit in das darunterliegende Aufsteigen von Wasser in den Tiefen der Im Rahmen seiner Doktorarbeit am Fach- Ozeanwasser fließt. Hierdurch nimmt des- Meere, realistisch nachbilden zu können, bereich für angewandte Mathematik der Uni- sen Dichte zu, denn je mehr Salz in einem muss also die Entwicklung des Salzgehalts versity of Cambridge ist Dirk Notz zusam- Liter Meerwasser gelöst ist, umso schwerer von Meereis verstanden werden. Schon die men mit seinem Betreuer Prof. Grae Worster wird das Wasser. In der Antarktis wird das ersten wissenschaftlichen Expeditionen, jetzt einer solchen Theorie ein großes Stück Ozeanwasser durch dieses Ausfließen der die sich im 19. Jahrhundert mit ihren Segel- näher gekommen. Sie benutzten zur Be- Salzlake aus Meereis so stark mit Salz ange- schiffen vorsichtig in das Packeis der Arktis schreibung von Meereis einen Satz mathe- reichert, dass es schwerer wird als fast alle vorarbeiteten, führten daher entsprechende matischer Gleichungen, der für sogenannte anderen auf unserem Planeten vorhande- Messungen durch. Aber auch mehr als ein „mushy layers“ („breiige Schichten“) ent- nen Wassermassen. Es sinkt wie in einem Jahrhundert später steht eine detaillierte wickelt worden ist. Diese Gleichungen, die gigantischen Fahrstuhl in die Tiefe, bis es theoretische Beschreibung der physika- ursprünglich im Bereich der Metallurgie be- den Meeresboden erreicht und sich von dort lischen Prozesse, die der Entwicklung des nutzt wurden, beschreiben Stoffe, die aus mehreren Inhaltsstoffen bestehen, welche zusammen ein Zweiphasengemisch bilden. Und genau das trifft auf Meereis zu: Es be- steht aus verschiedenen Inhaltsstoffen, nämlich Salz und Wasser, die zusammen ein Zweiphasengemisch aus flüssiger Salz- lake und festem Süßwassereis bilden. Bei der Anwendung dieser Gleichungen für die Beschreibung von Meereis stießen die Forscher jedoch auf ein überraschendes Ergebnis: Wenn ihre Theorie stimmte, dann müsste Meereis an der Grenzfläche zum da- runterliegenden Ozean den gleichen Salz- gehalt aufweisen wie Ozeanwasser. Bisher war man aufgrund von Messungen aus Eis- bohrkernen jedoch davon ausgegangen, dass direkt an dieser Grenzfläche der Groß- teil des gelösten Salzes ins Meerwasser ab- gegeben wird, der Salzgehalt von Meereis also stets weitaus niedriger ist als der von Ozeanwasser. Die Forscher standen vor einem Rätsel – denn bei einem solchen Wi- derspruch zwischen Theorie und Messun- gen gilt in der Naturwissenschaft normaler- weise, was der amerikanische Physiker Ri- chard Feynman einmal so formulierte: „Es spielt keine Rolle, wie schön Deine Theorie ist. Es spielt auch keine Rolle, wie schlau Du bist. Wenn sie nicht mit Messergebnissen übereinstimmt, dann ist sie falsch.“ Aber die Wissenschaftler der University of Cambridge wollten sich nicht geschlagen geben. Nachdem sie ihre Theorie erfolglos auf mögliche Fehler abgeklopft hatten, wandten sie sich den Eisbohrkernen zu, ei-

T. Heller ner Messtechnik, die sich seit dem Ende des

Aus dem Bohrkern aus Meereis fließt Salzlake – ganz so viel wie im Salzstreuer kommt dabei aber nicht heraus.

10 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 11, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Im Labor untersucht der Meteorologe, wie das salzige Wasser aus den grün gefärbten 19. Jahrhunderts kaum verändert hat: Mit Meereiswürfeln im rot gefärbten wärmeren Wasser absinkt. einem großen, hohlen Bohrer wird ein Bohrkern aus dem Eis entnommen und in Scheiben gesägt. Diese Scheiben werden ge- men werden müssen. Dieses Instrument Und so kam es, dass mitten in der gefrore- schmolzen und der Salzgehalt des Schmelz- misst den Salzgehalt in verschiedenen Tie- nen Wüste des Arktischen Ozeans plötzlich wassers wird gemessen. Aus der ursprüngli- fen, wobei an jedem Messpunkt zwei ex- rege Aktivität herrscht, dass ein kleiner chen Anordnung der Eisscheiben wird dann trem dünne Drähte horizontal aufgespannt Haufen von Wissenschaftlern bei Lufttem- auf die senkrechte Verteilung von Salz im sind. Zwischen diesen etwa 15 Zentimeter peraturen von unter minus 30 Grad Celsius Meereis geschlossen. Bei näherer Unter- langen Drähten, die zueinander einen Ab- Kabel verlegt, Generatoren anschließt, suchung dieser Technik stellten die Wissen- stand von wenigen Millimetern haben, Messinstrumente studiert, mit klammen schaftler fest, dass bei der Entnahme der wird der elektrische Widerstand gemes- Fingern an Laptops arbeitet. Und immer Bohrkerne stets ein Teil der Salzlake aus sen. Da das reine Eis ein sehr guter elektri- wieder den Blick suchend über den Hori- dem Eis herausläuft, ähnlich wie Wasser scher Isolator ist und nur die Salzlake den zont schweifen lässt, auf der Suche nach aus einem Schwamm fließt, wenn man ihn elektrischen Strom leitet, lässt sich hieraus möglicherweise herannahenden Eisbären. aus einem Wassereimer nimmt. Diese Tatsa- der Anteil der Salzlake direkt bestimmen. Als dann endlich die ersehnten Zahlen- che war zwar schon seit längerem bekannt – Eine einzelne Messung dauert weniger als reihen über die Bildschirme laufen, will je- sie wurde aber normalerweise vernachläs- eine Sekunde, sodass sich die zeitliche Ent- doch keine rechte Freude aufkommen. sigt, was bei mehrere Meter dickem Meereis wicklung des Salzgehalts von Meereis erst- Zwar bestätigen die Messungen die Voraus- durchaus gerechtfertigt zu sein scheint. Aber mals direkt und mit einer unerreicht hohen sagen der Theorie, dass nämlich in natürli- wie zuverlässig sind die Messungen, wenn Auflösung messen lässt. chem Meereis der Anteil der flüssigen Salz- das Eis in Zukunft immer dünner wird? Las- Erste Versuche mit diesem Messinstrument lake teilweise deutlich höher liegt, als die sen sich die aus dickem Eis gewonnenen in künstlichem Meereis, das die Wissen- bisherigen Messungen aus Eisbohrkernen Messergebnisse dann noch benutzen? schaftler im Labor erzeugten, zeigten viel- vermuten ließen. Aber zugleich bedeutet Zur Beantwortung dieser Fragen und versprechende Ergebnisse. Die Technik der hohe Flüssiganteil, dass das Meereis in zur Überprüfung ihrer Theorie entwickel- schien zu funktionieren – und ergab eine Zukunft möglicherweise weitaus schneller ten die Wissenschaftler ein Instrument, nahezu perfekte Übereinstimmung der abschmelzen könnte, als es die derzeitigen das zum ersten Mal die kontinuierliche Messergebnisse mit den Voraussagen der Klimamodelle vermuten lassen. Messung des Salzgehalts von Meereis in „mushy layer“-Theorie. Aber der eigentli- Und das sind wahrlich keine guten situ, also direkt im natürlichen Meereis er- che Test stand noch aus: die Messung des Nachrichten für das „Wunderwerk aus ge- ■ T.Heller laubt, ohne dass Eisbohrkerne entnom- Salzgehalts in natürlichem Meereis. frorenem Meerwasser“.

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Man könnte sagen „gut im Timing“ oder „gut berechnet“ – optimierte Abläufe ermöglichen einen entspannten Alltag. bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 13, 18.09.2007, 19:31, KMARX

MATHEMATIK

Der Mensch plant seinen Alltag, der Mathematiker berechnet ihn – anhand der Optimalen Steuerung lassen sich viele Situationen des Lebens wie das Autofahren oder die Gebirgswanderung optimieren.

VON DISKRETEN MATHEMATIKERN UND WANDERUNGEN IM GEBIRGE

Mathematische Methoden werden erfolgreich zur Verbesserung vieler praktischer Vorgänge eingesetzt und helfen dabei, kostbare Ressourcen einzusparen. Als sehr schwierig erwies es sich bisher, zeitabhängige Prozesse mit diskreten Entscheidungen wie der Auswahl eines geeigneten Ganges zu kombinieren.

Text: Sebastian Sager

JEDER MENSCH, der nicht den Charakter mei- kungen berücksichtigt werden müssen, daher bei festem Anfangszustand und gege- nes Stiefvaters Rolf teilt und schon viele Mi- sind durch mathematische Optimierungs- bener Beschleunigung berechnen lässt. An- nuten vor der Ankunft des Zuges geduldig methoden gefundene den auf Erfahrung ba- dere Beispiele sind bekannte Erhaltungssät- am Bahnsteig wartet, wird wissen, wie man sierenden Fahrweisen überlegen. Solche zu- ze, die oftmals physikalischen oder che- mit einem Auto in kürzestmöglicher Zeit sätzlichen Beschränkungen könnten ein von einem Punkt A (Wohnung) zu einem Benzinvorrat oder der ungeliebte Radarkas- Punkt B (Bahnhof) kommt. Und dabei noch ten auf halber Strecke sein. Relevant ist Op- DR. SEBASTIAN SAGER berücksichtigt, am Punkt B zum Stehen zu timierung für viele Beispiele des täglichen kommen, um das Herausspringen aus dem Lebens, die Ressourcen verbrauchen oder *1975 in Westerstede fahrenden Auto zu vermeiden. Man tritt das Kosten verursachen. Schon kleine Verbes- 1994 Abitur Gaspedal bis zum Anschlag durch und ver- serungen des Betriebs von U-Bahnen, Raum- ab 1995 Mathematikstudium an der harrt so, bis der Moment gekommen ist, kapseln, Destillationskolonnen, Katalysato- Universität Heidelberg blitzartig auf die Bremse zu wechseln. Diese ren oder Reaktoren sind oft bares Geld wert 2001 Diplom-Mathematiker wird nun ebenso durchgedrückt, um das bzw. schonen die Umwelt. 2004 Forschungsaufenthalt an der Auto haargenau und mit quietschenden Die mathematische Disziplin der Optima- Universidad Carlos 3 und Universidad Reifen am Punkt B zum Stehen zu bringen. len Steuerung widmet sich der Frage, wie de Valladolid in Madrid Die Reihenfolge der Gänge ist klar, und man solche „Prozesse“ derart beeinflusst, 2002 bis 2006 Doktorarbeit an der auch die Zeitpunkte, an denen man schal- dass das bestmögliche Ergebnis heraus- Universität Heidelberg ten sollte, wird ein geübter Fahrer recht gut kommt. Sie stützt sich auf drei Grundpfeiler: 10.2.2006 Promotion zum Dr .rer. nat. bestimmen. Modellierung, Simulation und Optimierung. Seit Februar 2007 Postdoc am Inter- Weniger sagt die menschliche Erfahrung Die Modellierung beschäftigt sich damit, disziplinären Zentrum für Wissenschaftli- darüber aus, wie man möglichst wenig ein mathematisches Modell für einen realen ches Rechnen in Heidelberg Energie auf einer solchen Fahrt verbraucht, Vorgang zu erstellen. Dieses basiert auf Wis- seit April 2007 Postdoc am Mathe- beispielsweise unter der zusätzlichen Ein- sen aus dem jeweiligen Anwendungsgebiet. matischen Institut SIMUMAT Madrid schränkung, gemütliche drei Minuten vor So ist spätestens seit Newton bekannt, dass Eintreffen des Zuges am Bahnhof zu sein. die Beschleunigung die zweite Ableitung [email protected] @

T.Wegner für bdwSpätestens wenn kompliziertere Beschrän- der zurückgelegten Strecke ist, welche sich

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MATHEMATIK

mischen Modellen zugrunde liegen. Alle flussbaren Größen, auch Variablen ge- Steuerung. Was in diesen Modellen nicht solche Modelle sind natürlich nur Näherun- nannt, so zu bestimmen, dass ein bestimm- berücksichtigt werden konnte, sind ganz- gen der Wirklichkeit und vereinfachen an tes Kriterium minimiert wird. Dies ist häufig zahlige Entscheidungen. Während ein Gas- der ein oder anderen Stelle. Von der Berück- die benötigte Zeit oder Energie. Wenn ge- pedal jede Stellung zwischen Bodenplatte sichtigung von Reibungskräften bis zu nau zwei Größen zu bestimmen sind, ent- und jungfräulicher Stellung einnehmen Wechselwirkungen auf Atomebene kann ein spricht dies anschaulich der Suche nach kann, ist dies bei Gangschaltungen anders. solches Modell beliebig verfeinert werden. dem tiefsten Punkt eines Gebirges. Für jede Hier ist der Hebel entweder im zweiten oder Eine wichtige Aufgabe des Modellierers ist mögliche Belegung der beiden Variablen im dritten Gang, aber nicht dazwischen. es, die richtige Mischung zwischen Einfach- lassen sich die zugehörigen Kosten berech- Ähnliche Einschränkungen gibt es bei Ven- heit des mathematischen Modells und einer nen. Stellt man diese grafisch in einem drei- tilen, die entweder offen oder geschlossen genügend genauen Beschreibung der Wirk- dimensionalen Diagramm dar, so erhält sind und ganz allgemein bei Entscheidun- lichkeit zu finden. man ein Gebirge, dessen tiefster Punkt der gen, ob etwas gemacht wird oder nicht. Ma- Ausgehend von einem mathematischen gesuchten Lösung entspricht, da an diesem thematisch stellen solche ganzzahlig oder Modell lassen sich verschiedene Szenarien die Kosten minimal sind. diskret genannten Variablen eine erhebliche durchspielen. Dies nennt man Simulation. In der Praxis ist es allerdings zu aufwen- Erschwerung der Optimierung dar. Dies Man legt alles fest, was irgendwie beein- dig, das Gebirge komplett zu berechnen. mag auf den ersten Blick überraschen, ste- flussbar ist. In unserem Beispiel sind dies Um den tiefsten Punkt mathematisch zu be- hen doch nur begrenzt viele Möglichkeiten der Anfangszustand (Auto steht am Punkt stimmen, geht man daher so vor, wie dies zur Verfügung, die man theoretisch alle aus- A) und die Beschleunigung des Autos, ab- auch ein Wandersmann tun könnte: Aus- probieren kann. Anschaulich existieren kei- hängig von der Zeit. Nun lassen sich per gehend von einem beliebigen Punkt geht ne Gebirge mehr, sondern nur noch räum- Hand oder per Computer die Modellglei- man so lange bergab, bis es nicht mehr tie- lich getrennte Säulen, deren Höhe vergli- chungen lösen, und man analysiert, was fer geht – zumindest nicht in der Umgebung chen werden muss. Doch die Anzahl der passiert. des Standortes. Mathematisch wird dies Möglichkeiten (Säulen) wächst enorm Stimmen Simulation und Realität über- mithilfe der Ableitungen einer Funktion schnell, wenn sich die Anzahl der Variablen ein, so kann man mit der Optimierung be- festgestellt, die erste Ableitung einer Funk- erhöht. Dies ist in der ganzzahligen Optima- ginnen. Hier geht es nun darum, die beein- tion gibt ja gerade deren Steigung an. Gibt len Steuerung der Fall, insbesondere um ge- es mehr als zwei Größen, so wird es an- nau entscheiden zu können, wann und wie schaulich etwas komplizierter und nur ge- oft umgeschaltet werden soll. Eine Behand- übte Star Trek Fans, die es gewohnt sind, in lung dieser Variablen durch Ausprobieren mehr als drei Dimensionen zu denken, fin- scheidet also wegen der immensen Anzahl den sich noch zurecht. Mathematisch än- an Möglichkeiten aus. dert sich glücklicherweise nichts, und das Der neue Ansatz, den ich in meiner Ar- Abstiegskonzept kann übernommen wer- beit entwickelt habe, beruht nun darauf, den. Dies ist anders, wenn die Variablen dass optimale Lösungen häufig Extrem- sich mit der Zeit ändern dürfen wie in dem werte annehmen – wie in dem oben ge- Beispiel der Position des Gaspedals. Eine nannten Beispiel mit maximaler Beschleu- Möglichkeit, mit solchen zeitabhängigen Va- nigung beziehungsweise maximalem riablen umzugehen, besteht in der Untertei- Bremsen. Um dies auszunutzen, erlauben lung des betrachteten Zeitintervalles in Teil- wir temporär Kombinationen der ganzzah- abschnitte. In jedem Teilabschnitt ist der ligen Variablen – also Lösungen, die sich Wert der Variablen, zum Beispiel die Positi- als Summe aus ganzzahligen Lösungen on des Gaspedals, dann konstant und man darstellen lassen. Eine Schaltung, die zu 23 hat wieder eine feste Anzahl von Größen für Prozent im zweiten Gang und zu 77 Pro- die Optimierung. zent im dritten ist, wäre demnach mathe- Mithilfe dieser grob skizzierten Vor- matisch zulässig – unabhängig davon, ob gehensweise wurden seit der Mitte des letz- dies technisch Sinn ergibt oder nicht. ten Jahrhunderts viele praktische Probleme Wichtig ist, dass sich die Gewichtungen zu gelöst – die gesamte Raumfahrt wäre un- 100 Prozent aufaddieren. Das wichtigste

T. Wegner denkbar ohne Methoden der Optimalen theoretische Resultat meiner Arbeit sagt nun aus, dass man das Ergebnis einer je- den solchen Kombination auch durch das Mathematische Wanderung: Durch Hin- und Herschalten zwischen den ganz- Ableitung lässt sich die Steigung zahligen Werten beliebig genau annähern ermitteln, die wiederum zum tiefsten kann. Anschaulich klar ist dies für unser Punkt und damit zur Lösung führt. Auto-Beispiel. Man kann eine bestimmte Geschwindigkeit halten, indem man das

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Mit Sebastian Sagers ausgeklügelten Formeln lassen sich Lösungen für praktische Gaspedal konstant in einer bestimmten Po- Probleme nicht nur schneller finden – sie sind auch besser als die bisherigen. sition hält. Man kann sich dieser Geschwin- digkeit aber auch durch abwechselndes Durchdrücken und Rollen lassen annähern. gut genug, so kann man das Problem als ge- nes physikalischen Verfahrens zur Tren- Je häufiger man wechselt, umso genauer. löst betrachten. Andernfalls werden weitere nung von Stoffgemischen) optimiert. Bei Im übrigen eine Fahrweise, die mir als Bei- Optimierungsläufe gestartet. Die in der Ar- letztgenannter Anwendung wurde erstmals fahrer häufig Übelkeit verursacht. beit behandelten repräsentativen prakti- untersucht, wie weit man den Gewinn des In der Arbeit wird bewiesen, dass dies schen Probleme lassen sich derart ver- Verfahrens erhöhen kann, wenn man zeit- für eine sehr allgemeine Problemklasse und gleichsweise schnell lösen, obwohl sich lich variable Verschaltungen der Anlage zu- nicht nur für den genannten Sonderfall gilt. mitunter komplizierte Schaltstrukturen er- lässt. Die ganzzahligen Entscheidungen be- Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das geben und sie von einem theoretischen stehen in der Frage, auf welche Böden der beste Ergebnis einer ganzzahligen Lösung Standpunkt aus betrachtet in eine sehr Kolonne die Flüsse verschiedener Reser- durch das Lösen eines nicht ganzzahligen schwere Problemklasse gehören. Die Me- voirs durch ein Ventil gelenkt werden. Problems effizient zu bestimmen. In der Ar- thoden wurden im Rahmen der Arbeit in Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beit werden Methoden präsentiert, um Software umgesetzt. Mit ihrer Hilfe wurden die Arbeit einen Beitrag dazu leistet, dass schnell ganzzahlige, praktisch realisierbare Fahrten von Zügen der New Yorker U-Bahn, mehr und mehr Probleme der Optimalen Lösungen zu berechnen. Die Güte solcher die gezielte Beeinflussung von dynamisch Steuerung lösbar sind – und mir in Zukunft Lösungen kann mit dem bestimmten best- kodierten Informationen in Zellen und der ermöglicht, die Abfahrt zum Bahnhof noch ■ T. Wegner möglichen Wert verglichen werden. Ist sie Betrieb einer Destillationskolonne (also ei- ein wenig länger hinauszuzögern ...

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CHEMIE

Um die Kommunikation zwischen Gehirnzellen zu verstehen, müssen die Proteine an deren Kontaktstellen getrennt und identifiziert werden. Das gelingt mit einer neuen Magnettechnik.

DIE NADEL IM NERVÖSEN HEUHAUFEN

Das Gehirn – Gegenstand endloser Untersuchungen, dennoch größtenteils unverstan- den. Insbesondere die Kommunikation zwischen Nervenzellen, verantwortlich für unsere Reaktionen auf äußere Einflüsse, bedarf intensiver Studien, um Ursachen neurologi- scher und psychiatrischer Krankheiten zu verstehen und langfristig zu behandeln. Modernste Techniken zur Inventarisierung und Identifizierung neuer Proteine bilden ers- te wichtige Schritte.

Text: Jacqueline Burré

„COGITO ERGO SUM – ich denke, also bin ich.“ Zeiten beschäftigt. Wie ist unser Gehirn auf- Dieser von dem französischen Philosophen gebaut, welche Bereiche steuern Gedächt- René Descartes 1641 formulierte Satz gibt nis oder Emotionen, wie werden Muskelbe- exemplarisch das währende Interesse an wegungen koordiniert, wie der Tag-Nacht- der spannenden Frage des Aufbaus und der Rhythmus reguliert? Nur Teilaspekte dieser Funktion des Gehirns wieder, mit der sich Fragen sind bisher geklärt. Seit einigen die Menschheit bereits seit prähistorischen Jahrzehnten wird intensiv an der Frage der Kommunikation von Nervenzellen ge- forscht, welche essenziell für all diese Ge- DR. JACQUELINE BURRÉ hirnfunktionen ist. Vom medizinischen Standpunkt aus ist diese Forschung unab- * 1978 in Darmstadt dingbar, um neurologische und psychiatri- 1998 Abitur sche Krankheiten wie Schizophrenie, Alz- ab 1998 Studium der Biochemie an der heimer, Parkinson und Huntington, Epilep- Universität Frankfurt sien, Depressionen oder Migräne behan- 2003 Diplom-Biochemikerin deln zu können und Wirkungsmechanis- 2003 bis 2006 Doktorandin an der men von Drogen wie Kokain, Ecstasy und Universität Frankfurt LSD aufzuklären oder Toxinen wie dem Te- 6.10.2006 Promotion zur tanus- oder Botulinumtoxin entgegenwir- Dr. phil. nat. ken zu können. seit März 2007 Postdoc am University of Wie sprechen Nervenzellen miteinan- Texas Southwestern Medical Center in der? Das menschliche Gehirn besitzt Schät- Dallas, Texas zungen zufolge etwa 100 bis 1000 Milliar- Auch bei anspruchsvollen Aufgaben den Nervenzellen, die über ungefähr 1000 wie einer DNA-Analyse behält [email protected] @ Billionen Kontakte ein kompliziertes Netz- Jacqueline Burré den Durchblick.

werk bilden. Bei jeder Wahrnehmung „feu- V.Steger für bdw

16 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 17, 18.09.2007, 19:31, KMARX bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 18, 18.09.2007, 19:31, KMARX

CHEMIE

ern“ Millionen von Nervenzellen mit Ge- mit einen Kollaps des Gehirns zu verhin- die Aufklärung ihrer Funktion stellen Wis- schwindigkeiten von bis zu 360 Kilometer dern. Wie schaffen es die Zellen, diese senschaftler vor eine große Herausforde- pro Stunde Nachrichten aufeinander und schwierige Aufgabe innerhalb solch kurzer rung. Was macht die Sache so schwierig? vermitteln dadurch Antworten des Körpers Zeit auszuführen? Bis heute stellen technische Grenzen die auf Änderungen der Umgebung. Hierin äh- Weltweit herrscht Konsens darüber, dass größte Herausforderung dar. Es klingt ein- neln Nervenzellen Computern – sie emp- man diese Zusammenhänge besser verste- fach, Vesikel zu isolieren und die Proteine fangen Nachrichten, verarbeiten diese und hen kann, sobald der Aufbau des Gehirns zu identifizieren – die Wirklichkeit sieht an- leiten die Resultate als neue Nachrichten an und dessen Unterstrukturen gelöst ist. Der ders aus. Oftmals enthalten die Proben Kon- andere Zellen weiter. Direkt verantwortlich Aufklärung der Zusammensetzung synapti- taminationen mit anderen Bestandteilen sind synaptische Vesikel. Diese runden scher Vesikel wurde dabei in den letzten der Nervenzelle, sodass die Ergebnisse Bläschen sind zehntausend Mal kleiner als Jahrzehnten besondere Aufmerksamkeit nicht verwertbar sind. Diese Problematik der Kopf einer Reißzwecke und befinden gewidmet. Die Vesikel ähneln einem Luft- konnte Jacqueline Burré, Wissenschaftlerin sich zu Hunderten in den Nervenzellen. Sie ballon, wobei die Haut des Luftballons aus an der Johann Wolfgang Goethe-Universität enthalten Botenstoffe, Signalsubstanzen, Fetten besteht. In diese Fettschicht sind Ei- in Frankfurt am Main, in ihrer Doktorarbeit welche bei Aktivierung der Nervenzelle in- weiße, auch Proteine genannt, ein- und an- durch die Entwicklung einer einfach an- nerhalb von Bruchteilen einer Sekunde aus gelagert. Proteine sind die Arbeiter der Zel- wendbaren Technik lösen: Synaptische Ve- der Zelle freigesetzt werden und an benach- len, während unser Erbgut, die DNA, ledig- sikel werden an winzige magnetische Kü- barte Nervenzellen binden. Abhängig vom lich als Anleitung für den Bau der Proteine gelchen gekoppelt und können mit einem Botenstoff – man kennt mehr als 50 ver- dient. Magneten aus den übrigen Bestandteilen schiedene Substanzen – unterscheidet sich Aber was arbeiten Vesikelproteine? Sie der Zelle herausgezogen werden – wie die die Reaktion der benachbarten Zellen. Sie befüllen die Vesikel mit Botenstoffen, trans- sprichwörtliche Nadel aus dem Heuhaufen. können gehemmt, aktiviert oder moduliert portieren sie auf einem Schienennetzwerk Aber ist dies effizient? Ja, und wie! Die- werden, um empfänglicher oder weniger innerhalb der sehr viel größeren Nervenzel- ses erste Teilziel erreicht, standen die Wis- empfänglich für andere Botenstoffe zu wer- le und agieren in der Freisetzung der Boten- senschaftler vor dem Problem einer gründli- den. Dieser Prozess wiederholt sich wieder stoffe. Wie auf einem Fabrikfließband die- chen Inventarisierung der Vesikelproteine. und wieder, sodass sich in sehr kurzer Zeit nen sie als Schalter, Barrieren, Pumpen und Insbesondere die Beschaffenheit der in die Tausende von Nervenzellen miteinander Transporter, die in einer bestimmten Rei- Fettschicht eingelagerten Proteine birgt die verständigen. Eine genaue Regulation die- henfolge bestimmte Dinge ausführen. Klar großen Herausforderungen unserer Zeit. ser äußerst komplexen Vorgänge scheint da- ist: Nur durch ein genau abgestimmtes Spiel Des Rätsels Lösung: die Entwicklung, Opti- her zunächst unmöglich, ist aber absolut der verschiedenen Proteine lassen sich die- mierung und Kombination neuer und beste- notwendig, um eine unkontrollierte Kom- se komplexen Aufgaben fehlerfrei ausfüh- hender Techniken, deren Ziel es zunächst munikation zwischen Nervenzellen und da- ren. Die Identifizierung dieser Proteine und ist, die Proteine voneinander zu trennen. Sucht man in einem Haufen unterschied- lichster Bauklötze nach einem roten Klotz bestimmter Größe und Form, so wird die Notwendigkeit einer Trennung deutlich. Konkret bedeutet dies: Je besser die Trennung, desto höher liegen die Chancen, alle Proteine erfassen und auch bisher un- bekannte Proteine entdecken zu können. Beispielsweise kann man mittels Elektro- phorese Proteine über den sogenannten Siebeffekt nach Größe trennen. Ähnlich ei- nem Küchensieb oder Kaffeefilter gelangen größere Proteine nur sehr langsam durch die Poren oder bleiben sogar stecken, wäh- rend kleinere Eiweiße sehr schnell passie- ren können. Verwendet man hintereinander verschiedene Filter mit unterschiedlich gro-

V. Steger ßen Poren, so erreicht man eine sehr hohe

Das Labor im Medical Center der University of Texas in Dallas ist derzeit der Arbeitsplatz der gebürtigen Darmstädterin.

18 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 19, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Die Biochemikerin durchschreitet eine „Neuronale Galerie“. Für ihre Doktorarbeit untersuchte sie winzige Bestandteile der Neuronen, die synaptischen Vesikel. der Lage sind, dieses Protein herzustellen, da die Anleitung fehlt. Je nach Wichtigkeit des Proteins leben die Mäuse wie ihre nor- Trennwirkung. Das größte zu überwinden- bei leichter, schneller und vor allem sicherer malen Artgenossen weiter oder weisen de Problem liegt hierbei darin, die Proteine zuzuordnen als 100 oder mehr übereinan- Merkmale für mentale oder psychische nicht verklumpen zu lassen. Zum Beispiel derliegende – ein weiterer Vorteil der vor- Krankheiten oder andere Störungen auf. sollte man auf Erhitzen verzichten, wie am herigen Proteintrennung. Letztere sind von großem Interesse, da sich Beispiel des Spiegeleis deutlich wird: Die Das aufsehenerregende Ergebnis unse- an ihnen zum Beispiel Krankheitsverläufe flüssige Substanz wird in der Pfanne schnell rer Forschung bestand darin, dass etwa vom Früh- bis zum Spätstadium verfolgen fest und würde nicht mehr durch ein Sieb fünfmal so viele Vesikelproteine identifi- und Medikamente zur Behandlung der laufen. In ähnlicher Weise würden die Pro- ziert wurden wie bisher angenommen. Krankheiten testen lassen. Allerdings ist die teine verklumpen oder aggregieren und sich Hierzu zählen auch Proteine, die völlig neu Züchtung solcher Knockout-Mäuse ein zeit- nicht mehr trennen lassen. Getrennte Pro- sind, über die also weder bekannt ist, was und kostenintensiver Prozess und muss in teine werden deshalb im nächsten Schritt sie für Aufgaben besitzen, noch wo sie im Anbetracht der Vielzahl möglicher pharma- mit einer biologischen Schere, dem Enzym Gehirn vorkommen. Quo vadis, Protein – zeutischer Angriffspunkte gut abgewägt Trypsin, in kleine Stückchen geschnitten. was nun? In ersten Experimenten unter- werden. Intakte Proteine sind für eine Messung suchten die Forscher die Verteilung neuer Die spannende Frage nach der Funktion nicht geeignet. Proteine im Gehirn. Faszinierenderweise der identifizierten neuen Proteine bleibt Mittels Massenspektrometer, einer Art konnte eines der Proteine in nur etwa zehn demnach erst einmal offen und wird die sehr empfindlicher Waage, bestimmt man Prozent aller Nervenzellen und in ganz be- Wissenschaft die nächsten Jahre und Jahr- die Größe, korrekterweise die Masse, dieser stimmten Gehirnregionen nachgewiesen zehnte beschäftigen, ganz im Sinne des Peptide. Für jedes Protein ergibt sich ein un- werden, was auf eine sehr spezielle Funk- bedeutenden englischen Naturwissenschaft- verwechselbares Muster, ein Fingerabdruck. tion hinweist. Um diese Funktion und die lers Isaac Newton (1643 – 1727): „Sein und Wie in der Kriminalistik wird anschließend all der anderen unbekannten Proteine un- Wissen ist ein uferloses Meer: Je weiter wir dieser Fingerabdruck per Computer mit ei- tersuchen zu können, wäre der nächste vordringen, um so unermesslicher dehnt ner Datenbank von Fingerabdrücken aller Schritt der Knockout des jeweiligen Pro- sich aus, was noch vor uns liegt; jeder Tri- Proteine verglichen. Erhält man eine Über- teins. Gezüchteten Knockout-Mäusen fehlt umph des Wissens schließt hundert Be- einstimmung, so ist das Protein identifi- das Erbgut für ein bestimmtes Protein. Kon- kenntnisse des Nichtwissens in sich.“ Aber ■ V. Stegerziert. Ein einzelner Fingerabdruck ist hier- kret bedeutet dies, dass die Mäuse nicht in genau das ist das Reizvolle!

bild der wissenschaft plus | 19 bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 20, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Mit zwei farbigen Leuchtstäben macht Miriam Spering die Fähigkeit, verschiedene Bewegungen wahrzunehmen, anschaulich.

WENN DAS GEHIRN AM STEUER SITZT

Ein Moment der Unachtsamkeit im Straßenverkehr kann schwerwiegende Konsequenzen haben. Neurowissenschaftliche Experimente haben gezeigt, wie intelligente Zellen im Gehirn den Menschen vor den Folgen der Ablenkung schützen können.

bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 21, 18.09.2007, 19:31, KMARX

NEUROWISSENSCHAFTEN

Die Augen können gleichzeitig Bewegungen in verschiedene Richtungen wahrnehmen. Um bei Ablenkungen – zum Beispiel beim Autofahren – nicht vom Kurs abzukommen, sorgen Nervenzellen im Bewegungs- zentrum des Gehirns für schnellen Ausgleich.

Text: Miriam Spering

IRGENDWO im tropischen Regenwald. Akro- gemein gültiger Schlussfolgerungen aus Pa- batisch schwingt sich ein Affe von Baum zu tientenstudien ist allerdings, dass in den Baum, auf der Suche nach essbaren Früch- meisten Fällen nicht nur ein spezifischer ten. Rasch taxiert er mit seinem Blick den Gehirnbereich geschädigt wurde, sondern nächsten Ast, bevor er sich erneut durch die mehrere Bereiche zerstört sind. Um heraus- Luft gleiten lässt. Eine derartige Situation zufinden, wo genau im Gehirn das „Bewe- stellt das Gehirn des Affen vor eine Heraus- gungszentrum“ liegt, sind Untersuchungen forderung: Die Distanz zum nächsten Ast am gesunden Sehsystem notwendig. Solche muss exakt bestimmt und dessen Eigen- Untersuchungen wurden an Affen durchge- schaften müssen eingeschätzt werden, um führt, deren Gehirn dem des Menschen Bewegungsabläufe entsprechend zu pla- strukturell sehr ähnlich ist. nen. Der amerikanische Neurobiologe Wil- Obwohl sich der Mensch zur Nahrungs- liam Newsome und seine Kollegen fanden suche nicht von Ast zu Ast hangelt, muss 1989 heraus, welche Zellen im Gehirn von auch er Bewegungsrichtung und Geschwin- Affen für die Wahrnehmung der Bewe- digkeit von Objekten einschätzen, um sich gungsrichtung eines Objektes verantwort- sicher durch seine Umwelt bewegen zu lich sind. Weiter konnten sie belegen, dass können. Wie entscheidend Bewegungs- die gleichen Zellen im Bewegungszentrum wahrnehmung für den Alltag ist, wird be- aktiv waren, wenn die Affen mit ihren Au- sonders deutlich, wenn diese Fähigkeit ver- gen ein sich bewegendes Objekt verfolgten. loren geht. So berichtet der deutsche Neuro- Diesen spannenden Befund – nämlich dass psychologe Josef Zihl in einer 1983 erschie- nenen Falluntersuchung von einer Patien- tin, die infolge einer Durchblutungsstörung DR. MIRIAM SPERING im Gehirn Bewegungen nicht mehr wahr- nehmen konnte, also „bewegungsblind“ *1976 in Celle (Niedersachsen) war. Goss die Patientin Kaffee in eine Tasse, 1995 Abitur konnte sie das Ansteigen der Flüssigkeit ab 1995 Psychologiestudium an der Uni- nicht wahrnehmen und brachte so die Tasse versität Konstanz, Exeter University, Uni- regelmäßig zum Überlaufen. Das Überque- versität Heidelberg ren einer Straße war ihr kaum möglich, da 2002 Diplom-Psychologin sie die Geschwindigkeit von Fahrzeugen 2003 bis 2006 Doktorandin an der Uni- nicht einschätzen konnte. Ebenso fühlte versität Gießen sich die Patientin im Gespräch mit anderen 22.9.2006 Promotion zur Personen unsicher, da sie Veränderungen in Dr. rer. nat. deren Mimik und Gestik nicht erfassen seit Januar 2007 Wissenschaftliche Mit- konnte. Die Forscher schlossen aus diesen arbeiterin in der Allgemeinen Psychologie Beobachtungen, dass der geschädigte Ge- an der Universität Gießen hirnbereich der Patientin eine wichtige Rol- le bei der Verarbeitung von Bewegungs- [email protected]@

K. Schöne für bdw Schöne K. information spielen müsse. Ein Problem all-

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NEUROWISSENSCHAFTEN

dieselben Gehirnzellen für Bewegungs- gen? Zur Untersuchung dieser Fragen er- wahrnehmung und Ausführung der Augen- hielten Testpersonen die Aufgabe, einen bewegungen verantwortlich sind – machen Lichtpunkt, der sich auf einem Computer- sich nun Forscher zunutze, um auch bei bildschirm entlang der Horizontalen be- Menschen den Vorgang der Verarbeitung wegte (das „Target“), mit den Augen zu ver- von Bewegungsinformation zu analysieren. folgen. Zu einem nicht vorhersehbaren Zeit- Dazu werden Augenbewegungen von Test- punkt spaltete sich aus dem Target ein wei- personen während der Betrachtung sich be- terer Lichtpunkt ab, der sich entlang der wegender Objekte gemessen. Die Eigen- Vertikalen bewegte (der „Distraktor“). Die- schaften der Augenbewegungen lassen sen Distraktor sollten die Testpersonen dann Rückschlüsse auf die zugrunde lie- ignorieren und weiter das Target verfolgen. genden Verarbeitungsprozesse im Gehirn Während des Experiments wurden die Au- zu. Typischerweise sitzt die Testperson bei genbewegungen der Testpersonen auf-

einer solchen Untersuchung im Labor vor K. Schöne gezeichnet. Verschiedene Verhaltensweisen einem Computerbildschirm, auf dem sich Wenn das Bewegungszentrum im Hirn der Augen sind dabei vorstellbar: Zunächst ein Lichtpunkt bewegt, und hat die Auf- gestört ist, werden alltägliche Dinge, wie ist denkbar, dass Testpersonen dem Distrak- gabe, den Lichtpunkt möglichst genau mit Kaffee einschenken, zum Problem. tor „widerstehen“ und mit den Augen wei- den Augen zu verfolgen. Dabei werden die terhin das Target verfolgen. Alternativ Augenbewegungen der Person mittels einer könnten die Augen in Richtung des Distrak- hochsensitiven Videokamera erfasst. dene Richtungen bewegen. In ihrer Doktor- tors abgelenkt werden. Ein solches Verhal- Bei der anschließenden Auswertung arbeit hat sich Miriam Spering an der Jus- ten wird als Mittelung von Bewegungsvek- wird die Augenposition zu jedem Zeitpunkt tus-Liebig-Universität Gießen daher mit der toren bezeichnet und stellt nach Annahme mit der Position des Objektes auf dem Bild- Frage auseinander gesetzt, wie unser visu- einiger Forscher einen verbreiteten Algo- schirm in Übereinstimmung gebracht, so- elles System reagiert, wenn es mehrere sich rithmus zur Berechnung von Bewegung im dass sich eine Aussage über die Genauigkeit bewegende Objekte gleichzeitig erfassen Gehirn dar. Im hier untersuchten Fall würde der Augenbewegung machen lässt. Augen- muss. Welche Konsequenzen ergeben sich das bedeuten, dass sich die Augen der Test- bewegungen erlauben also einen direkten daraus für unser motorisches Handeln? Aus personen nach Auftauchen des Störeinflus- Einblick in das Bewegungszentrum im Ge- eigener Erfahrung wissen wir, dass wir in ses kurzzeitig in eine diagonale Richtung hirn. Bisherige Untersuchungen dieser Art der Regel problemlos in der Lage sind, bei (gemittelt aus horizontaler Targetrich- gehen von dem einfachsten Fall aus, bei dichtem Verkehr auf der Autobahn die Spur tung und vertikaler Distraktorrichtung) dem eine Person mit einem einzigen sich zu wechseln oder den Ball im Fußballspiel bewegen. bewegenden Objekt konfrontiert wird. Das an einen mitlaufenden Spieler abzugeben. In der Tat berichteten die Testpersonen ist im Alltag allerdings selten der Fall. Viel- Aber warum gelingt uns das eigentlich so nach dem Experiment, dass sie sich von mehr nehmen wir häufig eine Vielzahl von gut? Was sind die Verarbeitungsprozesse, dem Distraktor „angezogen“ fühlten, und visuellen Objekten wahr, die sich mit unter- die der Integration mehrerer visueller Bewe- nur schwer weiterhin dem Target folgen schiedlicher Geschwindigkeit in verschie- gungssignale aus dem Umfeld zugrunde lie- konnten. Eine Auswertung der Augenbewe- gungen erbrachte aber dem subjektiven Empfinden der Testpersonen sowie den Er- wartungen entgegengesetzte Befunde: Die Testpersonen reagierten auf den Distraktor, allerdings bestand ihre Reaktion darin, dass die Augen zum Zeitpunkt des Auftretens des Distraktors in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt wurden. Die Personen wichen dem störenden Objekt also aus, und bewegten den Blick kurzzeitig von diesem weg! Dass die Testpersonen selbst die Aus- lenkung in die Gegenrichtung nicht wahr- nahmen, ist nicht verwunderlich, denn die

K. Schöne K. Schöne gemessene Positionsveränderung des Au-

Mit einer aufwendigen Apparatur misst Miriam Spering die Augenbewegungen der Versuchsteilnehmer.

22 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 23, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Über Spiegel und Linsen wird ein Infrarot- ges ist klein und dauert nur etwa 200 Milli- weiter den Blick auf dem Target zu halten. Lichtsignal auf die Augen gelenkt. sekunden an. Für das Gehirn sind 200 Milli- Die Auslenkung des Auges in die dem Dis- sekunden aber eine lange Zeit, bedenkt traktor entgegengesetzte Richtung könnte man, dass ein visuelles Signal vom Auge bis also eine Ausgleichsbewegung des Auges Bewegungszentrum neben einer Mittelung zum Bewegungszentrum gerade mal 70 Mil- sein, um die Ablenkung der Aufmerksam- von Bewegungsvektoren noch andere Algo- lisekunden benötigt. keit zu kompensieren und um eine zusätzli- rithmen verwenden. Die hier gewonnenen In einer aufwendigen Serie von Experi- che Ablenkung des Auges in Richtung des Erkenntnisse tragen somit zum grundlegen- menten wurde als Nächstes gezeigt, dass es Störeinflusses zu vermeiden. den Verständnis unserer visuellen Wahr- sich bei der Reaktion auf den Distraktor Dieser Kompensationsmechanismus könn- nehmung und der Steuerung unseres Ver- nicht um einen reinen Reflex, also eine Art te zum Beispiel zum Einsatz kommen, haltens bei, haben darüber hinaus aber Schreckreaktion des Auges handelt, son- wenn wir trotz Konzentration auf eine mo- auch ganz praktische Konsequenzen. dern dass die Bewegung kontrolliert und torische Handlung – wie etwa das Lenken Schon jetzt können auf dieser Grundlage willentlich ausgeführt wird. Wie lässt sich eines Fahrzeugs – von einem Ereignis in der Trainingsprogramme für Patienten mit Be- aber der Impuls für dieses „Ausweichmanö- Umgebung abgelenkt werden. Dass der Ab- wegungsblindheit entwickelt werden. ver“ der Augen erklären, und wozu dient lenkung der Aufmerksamkeit nicht unmit- Langfristig könnte Wissen über die Funk- er? Da die Testpersonen berichteten, von telbar das Fahrzeug folgt, haben wir ver- tionsweise der Bewegungswahrnehmung dem Distraktor beeinflusst worden zu sein, mutlich Zellen im Bewegungszentrum im auch in der Sensorentwicklung für die auto- muss der störende Lichtpunkt die Aufmerk- Gehirn zu verdanken, die blitzschnell für matische Fahrzeugführung zum Einsatz samkeit der Personen auf sich gezogen ha- Ausgleich in die Gegenrichtung sorgen. Ei- kommen. Es ist vorstellbar, dass Autos in ben. Weitere Untersuchungen belegten die- ne solche Kompensationshandlung kann of- Zukunft nicht nur mit Einpark- und Naviga- se Annahme. Eine plausible Erklärung wäre fenbar, wie im beschriebenen Experiment tionshilfen, sondern auch mit Kollisions- nun, dass der Distraktor als plötzlich auf- der Fall, unbewusst ausgeführt werden. warnsystemen mit automatischer Gegen- tauchender Lichtpunkt die Aufmerksamkeit Das motorische System programmiert al- lenkung ausgestattet werden. Bis diese Sys- kurzzeitig vom Target ablenkt. Ein Objekt, so auf eine visuelle Ablenkung hin eine teme jedoch ein unfallfreies Fahren erlau- das unsere Aufmerksamkeit beansprucht, Kompensationsbewegung in die Gegenrich- ben und ebenso sensitiv und angepasst rea- zieht häufig auch unseren Blick auf sich. tung zum störenden Objekt. Dieses Verhal- gieren wie der Mensch, ist wohl noch eine ■ K. Schöne K. Schöne Die Testpersonen waren jedoch instruiert, ten deutet darauf hin, dass Gehirnzellen im Reihe von Probefahrten notwendig.

bild der wissenschaft plus | 23 bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 24, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Eine Hand voll Hoffnung: Die Kerne und Früchte der Ximenia americana tragen heilende Proteine in sich.

RIPROXIMIN: SCHAMANEN-PULVER ODER KREBSMEDIKAMENT? bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 25, 18.09.2007, 19:31, KMARX

BIOLOGIE

Eingeborenen-Stämme behandeln ihre Kranken mit Heilmitteln aus der Natur. Die heutige Medizin steht vielen dieser Praktiken mit Skepsis gegenüber, aber ausgerechnet ein Pulver aus Afrika bringt überraschende Erkenntnisse im Kampf gegen den Krebs.

Text: Cristina Voss

WAS WÄRE Ihr erster Gedanke, wenn Sie eine dieser merkwürdigen Geschichte etwas auf Tüte Pulver in die Hand gedrückt bekämen, sich hatte. Was ich damals nicht wusste: Dies mit dem Hinweis, dass man damit Krebs war der Anfang der vielleicht aufregendsten heilen könne? Viele Menschen, die an un- Zeit in meiner wissenschaftlichen Laufbahn. heilbarem Krebs erkrankt sind, vertrauen Um neue Krebsmedikamente im Labor bereitwillig jedem, der ihnen Hoffnung ge- zu testen, werden Krebszellen benutzt, die ben kann. Ihr Vertrauen wird aber leider aus Tumoren stammen. Sie wachsen nun sehr oft von selbst ernannten Heilern miss- im Reagenzglas, ähnlich wie im Körper ei- braucht. Krebswissenschaftler sind darum nes kranken Patienten. Unbehandelt ver- sehr kritisch gegenüber solchen Schama- mehren sie sich so lange, bis sie keine Nähr- nenpulvern und den damit verbundenen stoffe mehr haben. Solche Zellen behandel- Heilungsversprechen. Uns in der Arbeits- ten wir nun mit einem wässrigen Extrakt, gruppe „Toxikologie und Chemotherapie“ einer Art kaltem Tee, zubereitet aus dem am Deutschen Krebsforschungszentrum Pulver. Drei Tage später konnten wir unse- (DKFZ) in Heidelberg ging es nicht anders, ren Augen kaum trauen: Unter dem Mikro- als wir ein erdfarbenes, vermutlich pflanzli- skop sah man, dass die behandelten Krebs- ches Pulver aus Afrika auf dem Labortisch zellen sich deutlich weniger vermehrt hat- hatten. Der Zustand eines Krebs-Patienten ten. Bei höheren Dosierungen waren sie so- sollte sich durch die Einnahme des Pulvers erheblich verbessert haben. Es waren die Details des Berichts, die un- DR. CRISTINA VOSS ser Interesse erweckten. Die „Wunderhei- lung“ war einem Arzt in Afrika aufgefallen, *1969 Brasov (Rumänien) der in Deutschland ausgebildet wurde und 1987 Abitur in Kontakt zum Deutschen Krebsfor- ab 1987 Biochemie-Studium an der schungszentrum steht. Er hatte die Diagno- Universität Bukarest, Rumänien se „metastasierter Prostata-Tumor“ mit mo- 1992 Diplom-Biologin dernen Untersuchungsgeräten gestellt und 1992 bis 1993 Assistentin an der Medi- dem Patienten damals erklärt, dass keine zinischen Fakultät, Universität Brasov wirksame Therapie für sein Leiden existie- 1994 bis 1995 Gastwissenschaftlerin am re. Der Patient entschied sich, zum Sterben Europäischen Laboratorium für in sein Heimatdorf zu gehen. Monate später Molekularbiologie in Heidelberg kam er zurück und verlangte eine Nach- 1996 bis 1998 Erziehungszeit untersuchung. Der Arzt stellte dabei mit 1999 bis 2006 Wissenschaftlerin am großer Überraschung fest, dass der Tumor Deutschen Krebsforschungszentrum in sich zurückgebildet hatte. Der Patient be- Heidelberg, ab 2002 dort Doktorandin richtete, dass er ein Pulver eingenommen 2006 Promotion zur Dr. Sc. hum hatte, welches er vom Dorfmediziner bekam. seit Oktober 2006 Koordinatorin bei der Dieses Pulver brachte der Arzt bei sei- Heidelberg Pharma AG in Ladenburg nem nächsten Deutschland-Besuch Profes- sor Dr. Martin R. Berger mit. Es wurde zu [email protected] @

T.Wegner für bdw meiner Aufgabe herauszufinden, ob es mit

bild der wissenschaft plus | 25 bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 26, 18.09.2007, 19:31, KMARX

BIOLOGIE

misch mit überragender krebshemmender, Moleküle. So kostete es uns viel Überwin- „antineoplastischer“ Wirkung in der Hand. dung zu glauben, dass unsere Ergebnisse für Was war nur dieser Wirkstoff? Wir beka- ein großes, wasserlösliches Molekül spra- men keine weiteren Informationen über das chen – wahrscheinlich ein Protein. Schluss- Material. Vermutlich war das Pulver pflanz- endlich lieferte ein biologischer Test den Be- lich. Unter dem Mikroskop waren tatsäch- weis. Ein Enzym, das ausschließlich Protei- lich Pflanzenfragmente zu erkennen. Wie ne zerschneidet, minderte deutlich die Zyto- alles Lebende bestehen Pflanzen aus vier toxizität – die „Giftigkeit“ für Zellen. Hauptgruppen von Stoffen: Eiweißen, auch Nebenbei suchten wir nach Informatio- Proteine genannt, Zuckern (Saccharide), nen über die Pflanze, aus der das Pulver

T. Wegner Fetten (Lipide) und dem Erbmaterial (Nu- stammte. Es gelang uns, diese über die Ana- kleinsäuren). Diese Substanzklassen sind lyse des Erbmaterials (der DNA) zu identifi- Das Pflanzenmaterial wird erst schock- gut definiert und unterscheiden sich deut- zieren. Das Pulver stammte von Ximenia gefroren und dann zermörsert. lich in ihren physikalischen, chemischen americana, einer semiparasitischen, subtro- und biologischen Eigenschaften. Außerdem pischen Pflanze. Spätere Untersuchungen enthalten Pflanzen häufig sogenannte „se- zeigten, dass der Wirkstoff vor allem in den gar abgestorben. Die Menge an Pulver, die kundäre Metabolite“. Dazu gehören die Kernen und Früchten dieser Pflanze zu fin- dies bewirkt hatte, war so niedrig, dass es Gruppe der Tannine, denen die krebs-vor- den ist, die übrigens in Afrika in Hungerzei- sich eindeutig um ein sehr potentes „Zell- beugende Wirkung von Tee und Rotwein ten als Nahrung dienen – ein weiterer Hin- gift“ handelte. Die Wirksamkeit war damit zugeschrieben wird, aber auch viele hoch- weis auf die Verträglichkeit des Wirkstoffes! nachgewiesen. Das Pulver enthielt einen wirksame Substanzen, die als Medikamen- Nun galt es, den Wirkstoff zu isolieren. Wirkstoff, der für die Krebszellen schäd- te verwendet werden. Um eine Substanz aus einer Lösung heraus- lich, also „zytotoxisch“, war. Die erste Aufgabe, die es zu bewältigen zutrennen, braucht man ein festes, unlösli- Handelte es sich aber um ein allgemei- galt, war darum die Identifizierung der Sub- ches Material, an das sie möglichst alleine nes Gift? Eine Substanz, die Tumorzellen tö- stanzgruppe, zu welcher der unbekannte bindet. Wir fanden solche Materialien, aber tet, könnte auch gesunde Zellen angreifen. Wirkstoff gehörte. Wir untersuchten dazu auch die so gewonnene angereicherte Lö- Die größte Herausforderung in der Krebs- seine physikalischen und chemischen Ei- sung enthielt immer noch Hunderte von therapie liegt darin, Krebszellen zu zerstö- genschaften, zum Beispiel die Löslichkeit, Proteinen! Um weiter zu kommen, mussten ren, ohne die gesunden Zellen im Körper zu die Stabilität, die Größe. Der Erfolg jedes Ex- wir mehr über den Wirkstoff wissen. Wie so schädigen. Darum war es wichtig, mehrere periments wurde an den Zellen im Reagenz- oft in der Wissenschaft galt es, die bisher ge- Tumorzellarten und auch normale Zellen zu glas gemessen. War der Wirkstoff in einer sammelten Erkenntnisse mit dem bereits untersuchen. Würden alle sterben, wäre der bestimmten Lösung vorhanden und aktiv, vorhandenen Wissen zu kombinieren, um Extrakt zu giftig. Aber: Fast zu schön, um so mussten Krebszellen, die damit behan- auf neue Ideen zu kommen. wahr zu sein, ließen die Experimente keine delt wurden, sterben. Die meisten pflanzli- Pflanzliche Proteine sind nicht toxisch. Zweifel daran, dass der unbekannte Wirk- chen Medikamente sind kleine, fettlösliche Sie sind zu groß, um die Zellmembran zu stoff nicht nur potent, sondern auch selek- tiv war. Während einige Zellarten bereits bei einer sehr niedrigen Konzentration star- ben, überstanden Zellen, die nicht von Tu- moren stammten, eine mehr als 100-fache Dosis. Ermutigt durch diese Ergebnisse ver- abreichten wir den Extrakt Ratten mit Le- bermetastasen, und zwar intraperitoneal, also in den Bauchraum gespritzt, oder per- oral, das heißt über die Nahrung aufgenom- men. Zu unserer großen Begeisterung ent- wickelten Ratten, die den Extrakt bekom- men hatten, signifikant weniger Tumor und litten dabei unter keinen erkennbaren

Nebenwirkungen. Wir hielten also ein Ge- T. Wegner

Nach der Gel-Elektrophorese sind die eingefärbten und aufgereinigten Proteine deutlich zu erkennen.

26 | bild der wissenschaft plus bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 27, 18.09.2007, 19:31, KMARX

Bei heißen Temperaturen fühlt sich die aus Afrika stammende Pflanze besonders wohl. durchdringen. Es gibt aber einige Beispiele Ihre Früchte dienen dort in Hungerzeiten auch als Nahrung. von pflanzlichen Proteinen, die tatsächlich in Zellen gelangen und dort toxisch wirken. Diese Proteine binden an Zuckerreste der neuen Wirkstoffs. Wir nannten ihn, in An- fahren muss her. Die Wirksamkeit an ver- Zellmembran. So kamen wir auf die Idee, lehnung an die Proteinklasse und an den schiedenen Krebsarten muss in weiteren dies auch für unseren Wirkstoff zu prüfen. Pflanzennamen, Riproximin. Tierversuchen überprüft werden. Toxikolo- Und tatsächlich, nach Kontakt mit der zu- Im Labor reproduzierten die zwei Protei- gie- und Pharmakologie-Studien sind not- ckerhaltigen Festphase verlor der Extrakt ne alle bekannten Effekte des Extrakts. wendig, um lebensbedrohliche Nebenwir- seine Wirkung. Der Wirkstoff konnte an- Auch an Ratten mit Lebermetastasen zeig- kungen auszuschließen. Erst wenn die Er- schließend von der Festphase wiederge- ten die gereinigten Proteine die gleiche gebnisse dieser sogenannten „präklinischen“ wonnen werden. Diese spezifische Bindung krebshemmende Wirkung wie der Gesamt- Untersuchungen positiv ausfallen, kann Ri- ermöglichte den Durchbruch: Die so gewon- extrakt. Sehr überraschend und begeisternd proximin zum ersten Mal am Menschen ge- nene Lösung enthielt nur noch zwei Proteine! war, dass sie ihre Wirkung sogar bei perora- testet werden. Und erst wenn die Effektivi- Nur was waren das für Proteine? Waren ler Gabe entfalteten, da Proteine in der Re- tät im Vergleich zu herkömmlichen Mitteln sie vielleicht schon bekannt? Wir unter- gel im Magen-Darm-Trakt zerstört werden in streng kontrollierten klinischen Studien suchten die getrennten Proteine mit einer und daher nicht intakt in die Blutbahn ge- erwiesen ist, kann ein Medikament mit dem Methode, die Einblicke in ihr Inneres, in die langen. Die afrikanische „Wunderheilung“ Wirkstoff Riproximin von Ärzten ver- Aminosäurenkomposition, gewährt. Der bestätigte sich also in einem etablierten schrieben und in Apotheken verkauft wer- Datenbankabgleich zeigte schnell, dass die Tiermodell. den. Die bisherigen Ergebnisse sind jedoch Proteine unbekannt waren. Wir fanden al- Genau das unterscheidet das Riproximin so vielversprechend, dass das Deutsche lerdings Ähnlichkeiten (Homologien), die von einem Schamanenpulver. Riproximin Krebsforschungszentrum und ein Phar- bewiesen, dass die neuen Proteine zur Klas- ist heute ein in seiner Zusammensetzung maunternehmen sich auf eine Kollaborati- se der Ribosomen-inaktivierenden Proteine und Wirkung charakterisierter Wirkstoff. on zur präklinischen Erforschung von Ri- (RIPs) gehören. Mit Methoden der Moleku- Riproximin ist trotzdem immer noch kein proximin verständigt haben. So wäre es am larbiologie bestimmten wir anschließend Krebsmedikament. Viele weitere Schritte besten, Riproximin heute als „ein Protein die komplette Gensequenz. Diese charakte- sind dazu erforderlich. Ein reproduzier- auf dem Weg zum Krebsmedikament“ zu ■ T. Wegner risiert die Komposition und Struktur des bares und kontrollierbares Produktionsver- bezeichnen.

bild der wissenschaft plus | 27 bild der wissenschaft SU4/2007, SU4/2007_Tschira, S. 28, 18.09.2007, 19:31, KMARX

2008

2008 vergibt die Klaus Tschira Stiftung zum dritten Mal bundesweit den Klaus Tschira Preis für verständliche Wissenschaft. Dieser Preis zeichnet Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus, die ihre herausragende Dissertation allgemein verständlich darstellen.

Cristina Voss | Biologie 2007 Jacqueline Burré | Chemie 2007 Sebastian Sager | Mathematik 2007 Dirk Notz | Physik 2007 Miriam Spering | Neurowissenschaften 2007 Sind Sie der nächste Preisträger?

Um den Preis bewerben können Mit dem Preis ausgezeichnet werden sich Promovierte der Biologie, Artikel, die den Ertrag der Dissertation Chemie, Informatik, Mathematik, in deutscher Sprache anschaulich und Neurowissenschaften, Physik prägnant darstellen. und angrenzender Fächer. Die Es werden bis zu sechs Preise à 5.000 Euro Dissertation muss im Jahr 2007 vergeben. Die ausgezeichneten Beiträge bild der wissenschaft Informatik abgeschlossen worden sein. werden in der Zeitschrift veröffentlicht.

Neuro- Biologie Chemie Mathematik Physik wissenschaften

Einsendeschluss für die Beiträge ist der 29. Februar 2008.