Adventskalender 2013

24.12.2012

Wir öffnen für Sie jeden Tag bis Weihnachten ein Türchen mit Bildern aus der Wissenschaft. Mit vielen Geschichten, die sich hinter den Bildern verbergen. Viel Spaß beim Stöbern und Staunen!

Masse ist Masse ist Masse

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Digitale Fotografie

Max-Planck-Institut für Physik, München
© CERN

Die Teilchenphysiker aus aller Herren Länder, die gemeinsam am europäischen Beschleunigerzentrum CERN in Genf arbeiten, haben allen Grund zum Jubeln: Endlich konnten sie das lange gesuchte Higgs-Teilchen aufspüren. Nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist es dieses Teilchen, das allen anderen Elementarteilchen Masse verleiht. Peter Higgs und François Englert hatten seine Existenz bereits im Jahr 1964 vorausgesagt – jetzt erhielten sie dafür den Nobelpreis für Physik 2013. Direkt nachweisen kann man das Higgs-Teilchen jedoch nicht, seine Existenz errechnet sich aus den Messungen am weltgrößten Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC). Unser Bild zeigt einen Blick in den Innenraum des Hadronischen Endkappenkalorimeters im ATLAS-Detektor des LHCs: eines der Messgeräte, die die Spuren der Teilchen aufzeichnen, die entstehen, wenn im Ringtunnel des LHC zwei gegenläufige Protonenstrahlen aufeinander geschossen werden.
Mehr dazu: Higgs oder nicht Higgs?

Denken in geordneten Bahnen

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Diffusionsgewichteten Magnetresonanztomografie (dMRT); Darstellung mittels
Visualisierungssoftware Fibernavigator 2

Max Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig
Ralph Schurade, Alfred Anwander

Wie viel ist 17 mal 146? Oder 111 plus 97? Komplexe kognitive Leistungen wie das Rechnen werden erst durch die komplizierte Verschaltung von unterschiedlichen Gehirnregionen möglich. Wie diese Nervenfaserbündel zwischen den verschiedenen Hirnbereichen verlaufen, können Neurowissenschaftler mithilfe der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomografie (dMRT) nachvollziehen. Dabei nutzen sie den natürlichen Magnetismus der Teilchen im Gehirn, um die Diffusionsbewegung von Wassermolekülen im Gewebe zu messen. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf den Verlauf und die Signalrichtung der großen Nervenfaserbündel. Die gemessenen Diffusionsgradienten übersetzen die Forscher anschließend in leuchtende Farbmuster, die Farben geben dabei die Orientierung der Fasern an (rot: links-rechts; grün: vorne-hinten; blau: oben-unten).

Liaison von Metallen

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Auflichtmikroskop-Aufnahme in polarisiertem Licht

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf
Angelika Bobrowski

Hochwertigen Stahl zu kochen ist eine Kunst für sich. Materialwissenschaftler experimentieren dazu mit unterschiedlichen Legierungen. So erhöht etwa die Verbindung von Eisen und Chrom die Zugfestigkeit des Stahls und seine Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß. Um das optimale Mischungsverhältnis zu finden, variieren die Forscher den Chrom-Anteil und testen mithilfe eines Brinelleindrucks die Festigkeit des Materials. Dazu drücken sie eine Hartmetallkugel von 2,5 Millimetern Durchmesser mit einer genau definierten Kraft in die Oberfläche; die Größe des Abdrucks ist ein Maß für die Härte. Das Bild zeigt das Mikrogefüge einer Chrom-Eisen-Legierung. Rechts unten ist der kreisförmige Brinelleindruck zu sehen. Durch die plastische Verformung entstehen am Rand des Eindrucks sogenannte Gleitlinien.

Kosmisches Panorama

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Visualisierung von Satellitendaten

Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Marco Selig

Die Klaviatur des Lichts umfasst viele Oktaven. Sie reicht von der langwelligen Radiostrahlung über den sichtbaren Bereich bis zu den hochenergetischen Gammaphotonen. Genau die hat ein Teleskop an Bord des Satelliten Fermi hier eingefangen. Mehr noch: Das Bild ist das Ergebnis aller Daten, die der US-amerikanische Satellit während rund viereinhalb Jahren gesammelt hat. Es zeigt den Himmel mit dem Herzen der Milchstraße im Zentrum. Nach links und rechts erstreckt sich die galaktische Scheibe, in der auch unsere Sonne als einer von 200 Milliarden Sternen kreist. In dieser Darstellung ist der galaktische Nordpol am oberen, der galaktische Südpol am unteren Bildrand. Während die diffusen Strukturen zur Milchstraße gehören, bilden sich auch zahlreiche Punktquellen ab; sie gehören teils zu unserem Sternsystem, teils zu fernen Galaxien. Vor allem drei helle „Sterne“ fallen auf – der Vela-Pulsar in der Mitte der rechten Bildhälfte und ganz am rechten Bildrand der Geminga- (oben) und der Krabbennebel-Pulsar (unten).

Ein Enzym, das dem Klima einheizt

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Elektronenmikroskopie, 3D-Rekonstruktion

Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt am Main

Methan wirkt als Treibhausgas mehr als 20-mal stärker als Kohlendioxid. Es entsteht, wenn bestimmte Mikroben aus der Gruppe der Archaebakterien unter Luftabschluss organisches Material abbauen − etwa in Reisfeldern, Mooren und Kuhmägen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Enzym Frh, eine Hydrogenase: Es spaltet Wasserstoff, der daraufhin mit Kohlendioxid weiter zu Methan reagieren kann. Insgesamt besteht das Frh-Protein aus zwölf Trimeren mit je drei Untereinheiten, hier blau, grün und violett dargestellt. Es enthält mehrere Eisen-Schwefel-Cluster – im Bild als gelbe Strukturen zu erkennen – und in den aktiven Zentren, an denen die Reaktion stattfindet, Nickel und Eisen. Wie das Enzym aufgebaut ist und wie es funktioniert, interessiert nicht nur Klimaforscher: Das Molekül könnte auch als Vorbild dienen, um synthetische Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu entwickeln.
Mehr dazu: Ein Blick in die biochemische Methan-Produktion

Da ist der Wurm drin

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Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme, teilweise koloriert

Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen
Jürgen Berger, Gáspár Jékely

Ob Korallen, Würmer oder Muscheln – viele wirbellose Tiere des Meeres beginnen ihr Leben als Teil des Planktons. Dies gilt auch für den Borstenwurm Platynereis dumerilii, der in den letzten Jahren zu einem wichtigen Modellorganismus in der evolutionären Entwicklungsbiologie geworden ist. Die Larve steuert ihre Fortbewegung mithilfe des prominenten, gleichmäßig schlagenden Gürtels aus tausenden von Cilien. Doch wie findet sie einen Platz, der dem erwachsenen Wurm gute Bedingungen für sein recht stationäres Leben bietet? Die entscheidende Rolle spielt dabei ein einfaches Organ am Kopfende der Larve: die sogenannte Scheitelplatte. Dort lokalisierte Nervenzellen nehmen Umweltreize wahr und produzieren daraufhin ein Neuropeptid, das den Cilienschlag verändert. Die Larven beginnen abzusinken und suchend am Boden umherzukriechen. Wahrscheinlich können die Larven auf diese Weise Nährstoffe detektieren und so einen geeigneten Lebensraum finden.
Mehr dazu: Neurobiologie der Wohnungssuche

Mit Silber überzuckert

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Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm
Bat El Pinchasik

Für diese Mikropartikel aus Siliziumdioxid stand ein römischer Gott Pate. Denn wie der doppelköpfige Janus haben auch diese Teilchen zwei Gesichter. Auf einer Hälfte sind sie mit Silber überzogen, auf der anderen nicht. Um solche Janus-Partikel herzustellen, fixieren die Forscher Silica-Kügelchen in einem weichen Film und beschichten die freie Seite mit Silber. Anschließend wird das Metall chemisch reduziert, und es entstehen katalytisch aktive Silberpartikel. Setzt man die Partikel in Wasser, bewegen sie sich: Durch die Aufspaltung von Wasserstoffperoxid bilden sich an der mit Silber beschichteten Seite winzige Sauerstoffblasen, welche die Teilchen anheben und vorantreiben. Eine ähnliche Art von Antrieb findet sich auch im Tierreich: So gleitet etwa die Veilchenschnecke mithilfe kleiner Blasen über die Ozeane.

Frohe Botschaft

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Digitalfotografie: Fresco von Alessandro Allori, Verkündigung, 1560/1564,
Florenz, SS. Annunziata, Cappella di San Gerolamo
[Photothek: Inv. Nr. 599129, Dig. Nr. fld0003491]

Kunsthistorisches Institut in Florenz - Max-Planck-Institut

Der Florentiner Maler Alessandro Allori erhielt 1560 den Auftrag, die Kapelle der Familie Montauti in der Florentiner Kirche Santissima Annunziata auszugestalten. Allori schuf einen Freskenzyklus mit Szenen aus dem Leben Christi, darunter als Deckenbild die Verkündigung der Geburt Christi an Maria durch den Erzengel Gabriel. Der Engel erscheint der demutsvollen Maria in einem nur mit einem Lesepult ausgestatteten Raum, eine Tür gibt den Blick in die Ferne frei. Als Zeichen seiner himmlischen Herkunft schwebt er auf einer Wolke; die weiße Lilie mit sieben Blüten in seiner Hand sowie das weiße Tuch, das Maria umhüllt, verweisen auf deren Jungfräulichkeit. Auffällig für den Betrachter der Verkündigungsszene ist der stark modulierte männliche Körper des Engels. In seiner muskulösen Darstellung erinnert er an Werke von Michelangelo, die für die Kunst Alloris ein wichtiges Vorbild darstellten. Die Aufnahme entstand im Rahmen einer Fotokampagne, welche die Photothek des Kunsthistorischen Instituts in Florenz nach Abschluss der Restaurierung der Kapelle 2010 durchführte.

Fischauge im Fokus

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Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme

Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Jaroslav Icha

Auch wenn Mensch und Zebrafisch auf den ersten Blick scheinbar wenig gemeinsam haben, gibt es in ihrer Entwicklung und dem Aufbau der Organe doch erstaunlich viele Parallelen. So ist etwa die Netzhaut der Augen ganz ähnlich aufgebaut. Der kleine Fisch ist daher ein beliebter Modellorganismus, um die Entwicklung des Sehorgans zu studieren. Das Bild zeigt einen Querschnitt durch die Netzhaut eines drei Tage alten Zebrafisch-Embryos. Mithilfe von fluoreszierenden Proteinen haben Forscher unterschiedliche Zelltypen sichtbar gemacht. Damit können sie verfolgen, wie sich die Zellen umordnen, während sich die zunächst einfache Gewebeschicht zu einer mehrschichtigen Struktur weiterentwickelt. Ein Teil des Zellskeletts ist in Grün erkennbar, die Zellwände der Fotorezeptoren und der optische Nerv, der Informationen ins Haupthirn transportiert, leuchten in pink.

Wellen im virtuellen Raum

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Numerische Simulation

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), Potsdam-Golm
Numerische Simulation: Bruno Giacomazzo, Luciano Rezzolla (AEI)
Wissenschaftliche Visualisierung: Ralf Kähler (AEI & Zuse-Institut Berlin)

Man nehme eine halbe Million Erden, quetsche sie in eine Kugel von nur 20 Kilometer Durchmesser und lasse sie schneller rotieren als einen Küchenmixer. So geht es in einem Neutronenstern zu, dem Überrest einer massereichen und als Supernova explodierten Sonne. Gelegentlich treten solle Sternleichen als Paar auf, kreisen also um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Kommen sie sich zu nahe, verschmelzen sie innerhalb von Millisekunden zu einem schwarzen Loch. Das lässt sich in der Natur nicht direkt beobachten, wohl aber stellen Forscher diese Vorgänge im virtuellen Weltraum nach. Die Computersimulation liefert die Lösung von Einsteingleichungen in Form von Zahlenkolonnen. Zur Visualisierung werden diese in Grafiken, Bilder und Filme übersetzt und schließlich eingefärbt. So entsteht ein anschauliches Szenario der Katastrophe, bei der auch „spiralförmig“ Gravitationswellen frei werden – Zeugen eines kosmischen Todestanzes.

Mehr dazu: Die Kräuselungen der Raumzeit

Auf dem Weg zum Alleskönner

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Fluoreszenzmikroskopie-Aufnahme

Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster
Guangming Wu

Ob Haut-, Muskel oder Leberzelle – unsere Körperzellen sind auf bestimmte Aufgaben spezialisiert. Im Reagenzglas lassen sich Zellen jedoch unter bestimmten Bedingungen zu sogenannten pluripotenten Stammzellen umprogrammieren – ähnliche Multitalente, wie embryonale Stammzellen es sind. Entscheidend dafür ist ein Protein namens Oct4. In der frühen Embryonalentwicklung scheint Oct4 jedoch keine so große Rolle zu spielen: Der Embryonalknoten, aus dem später der Fötus hervorgeht, bildet sich auch ohne das Oct4-Protein: Zu sehen ist ein normaler Mausembryo (links), ein Embryo ohne das mütterliche Oct4 (Mitte) sowie einer, dem Oct4 vollständig fehlt (rechts). Die Zellen des Embryonalknotens erscheinen grün, die des Trophoblasten, der später zu einem Teil der Plazenta wird, leuchten rot. Die Natur geht also einen anderen Weg als die Stammzellforscher.

Mehr dazu: Reprogrammieren ist nicht gleich Reprogrammieren

All-Chemie

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Fotografie

Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Christian Föhr

Im Weltall ist es extrem kalt und im interstellaren Raum auch sehr leer. Trotzdem laufen dort chemische Reaktionen ab. Um diese spezielle Chemie besser zu verstehen, simulieren Forscher mit hohem technischem Aufwand die Bedingungen des Weltraums auf der Erde. So entsteht in Heidelberg zurzeit ein neuer, weltweit einzigartiger cryogener Speicherring. Bei einer Temperatur von nur 2° über dem absoluten Nullpunkt und einem extrem guten Vakuum von weniger als einem Billiardstel des normalen Luftdrucks werden sich dort selbst empfindliche mehrfach geladene Molekül-Ionen bis zu mehreren Stunden speichern und detailliert untersuchen lassen. Zu sehen ist hier ein Quadrupol, ein Teil der Ionenoptik, die die zu untersuchenden Teilchen auf einer definierten Bahn hält. Diese elektrostatische Führung des Ionenstrahls erlaubt – im Gegensatz zu den meistens verwendeten Magneten – auch die Speicherung sehr großer, schwerer Ionen bis hin zu Biomolekülen und Clustern. Für eine optimale Oberflächenqualität sind die Elektroden der Ionenoptik vergoldet.

Vergängliche Schönheit am Strand

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Fotografie

Max-Planck-Institut für Meterologie und Klimacampus der Universität Hamburg
Christian Klepp
Von Christian Klepp stammt auch das Titelbild unseres Adventskalenders,
das eine große Eishöhle in Island zeigt.

In Südisland bietet sich täglich ein beeindruckendes Schauspiel: Am Fuße des Vatnajökull, des Wassergletschers, liegt eine große Lagune, in der zahlreiche Eisberge schwimmen. Bei Flut strömt über einen kurzen Fluss Meerwasser in den Gletschersee und die Eisberge rotieren in großen Kreisen in der Strömung. Bei Ebbe fließt das Wasser wieder ab und reißt selbst große Eisberge mit sich ins Meer. In der starken Brandung werden sie zerschlagen, doch oft stranden Bruchstücke auf dem pechschwarzen Lavastrand. Die türkise Farbe dieses 2,50 Meter hohen Eisblocks zeugt von seinem hohen Alter – die Schneeflocken, die das Eis bildeten, fielen vor circa 1000 Jahren auf dem Plateau des Vatnajökull. Die Risse sind Spuren der ungeheuren Drücke und Spannungen, denen das Eis während seiner Reise durch den Gletscher ausgesetzt war. Genau an diesen Schwachstellen wird der Eisberg in der Brandung der nächsten Flut zerfallen. Hamburger Forscher untersuchen die Niederschläge über den Ozeanen von den Tropen bis zu den Polarregionen, denn diese sind eine wichtige Komponente des Klimasystems.

Eulen im Schlaflabor

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Fotografie

Max-Planck-Institut für Ornithologie, Seewiesen
Fabrizio Sergio

Die beiden Schleiereulenküken auf dem Bild machen einen recht munteren Eindruck– doch genau wie Menschenbabys brauchen sie noch viel Schlaf. Dabei zeigen Eulen dasselbe Schlafmuster wie Säugetiere: Als Küken verbringen sie mehr Zeit im REM-Schlaf (rapid eye movement) als im Erwachsenenalter. In der REM-Phase finden Träume statt, und die Gehirnaktivität ähnelt der im Wachzustand. Die Funktion dieser Schlafphase liegt noch im Dunkeln: Weil sie in der Jugend überwiegt und dann abnimmt, vermuten Forscher, dass sie für die Gehirnentwicklung wichtig ist. Auch eine andere, auf den ersten Blick kurios erscheinende Beobachtung gibt Rätsel auf: Das Schlafverhalten der Schleiereulen hängt eng mit der Aktivität eines Gens zusammen, das für die schwarzen Punkte im Gefieder der erwachsenen Vögel sorgt. Wie Schlaf, Gehirnentwicklung und Pigmentierung zusammenhängen, wollen die Wissenschaftler herausfinden.

Mehr dazu: Eulenküken schlafen wie Menschenbabys

Ein sensibles Gleichgewicht

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Konfokale Mikroskopie

Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns, Köln
Sara A. Wickström, Alexander Meves

Unsere Haut hat ein erstaunliches Regenerationsvermögen und erneuert sich ein Leben lang. Dazu müssen sich ständig neue Hautzellen aus Stammzellen bilden. Wichtig ist jedoch, dass die Zellzahl dabei konstant bleibt. Das Gleichgewicht zwischen Zellerneuerung und Differenzierung kann allerdings aus dem Lot geraten – mit Folgen wie Ekzemen, Schuppenflechte oder Tumoren. Auch nimmt die Regenerationsfähigkeit mit dem Alter ab, was sich etwa in einer schlechteren Wundheilung bemerkbar macht. Welche Faktoren das Gleichgewicht beeinflussen und welche Rolle das Alter dabei spielt, sind wichtige Fragen, die Forscher unter anderem mit zellbiologischen Methoden untersuchen. Das Bild zeigt einen Schnitt durch die Haut einer Maus, zu sehen sind drei Haarfollikel. Der Stammzellbereich wurde rot eingefärbt, die Vorläuferzellen der obersten Hautschicht (Epidermis) leuchten grün. Die Zellkerne sind in blau dargestellt.

Planet im Strahlenkranz

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Nahinfrarot-Falschfarbenbild

Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
© NAOJ

Die bunten Strahlen mit dem schwarzen Kreis in der Mitte sind genau das, wonach sie auf den ersten Blick ausschauen: ein Stern! Doch an dem waren die Astronomen ausnahmsweise einmal nicht interessiert. Daher haben sie ihn nach allen Regeln der Instrumentenkunst abgedeckt. Das Restlicht erzeugt das sternförmige Muster. Erst durch diesen Trick tritt der helle Punkt oben rechts zutage – hinter dem sich nichts weniger verbirgt als ein zweiter Jupiter: Das 60 Lichtjahre entfernte, GJ 504b genannte Objekt ist der kälteste und wohl masseärmste Exoplanet, den man bisher fotografiert hat. Die Abbildung, gewonnen mit dem Subaru-Teleskop auf Hawaii, liefert Informationen über physikalische und chemische Zustandsgrößen wie Atmosphäreneigenschaften oder Temperatur. Die Abschätzung der Masse beruht auf Modellierungen des Abkühlungsprozesses des Planeten seit seiner Entstehung; die meisten Forscher favorisieren rund drei Jupitermassen. Die Distanz zu seinem Stern beträgt das 44-Fache des mittleren Abstands der Erde zur Sonne – rund sechs Milliarden Kilometer.

Wegweiser für Nervenzellen

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Fluoreszenzmikroskopie-Aufnahme

Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Falco Hampel, Rüdiger Klein

Unsere Großhirnrinde ist der Sitz von Denken, Bewusstsein und Persönlichkeit. Milliarden von Nervenzellen bilden darin ein dichtes Netzwerk. Wie sich diese hochkomplexe Struktur entwickelt, birgt noch immer Rätsel: Woher „wissen“ etwa die einzelnen Zellen, in welche Richtung sie ihre Fortsätze schicken müssen, um sich mit den richtigen Partnerzellen zu verbinden? Wichtige Wegweiser sind die sogenannten FLRT-Proteine auf der Zelloberfläche. Sie können kleine Teile abspalten, die als Stopp-Signal für andere Zellen wirken. Erkennt eine Zelle das Signal, zieht sie ihren Fortsatz zurück und wächst in eine andere Richtung weiter. Dieses Verhalten kann auch in einer Zellkultur beobachtet werden. Hier sind die richtungsweisenden FLRT-Proteine ausschließlich in den blauen Bereichen vorhanden. Ähnlich wie Leitplanken an einer Autobahn sorgen die Streifen dafür, dass die wachsenden Zellfortsätze nicht vom Weg abkommen.

Mehr dazu: Neue Funktion einer Proteinfamilie entdeckt

Zwischen Tradition und Marktmechanismen

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Fotografie

Max-Planck-Institut für ethnologische Forschung, Halle an der Saale
Kirsten Endres

Zur Alltagstracht der Blumen-Hmong Frauen im nordwestlichen Hochland Vietnams gehört eine bunte, mit bestickten Bändern und Perlenfransen reich verzierte Bluse. Früher wurden diese Textilien in monatelanger Handarbeit für den Eigengebrauch gefertigt. Heute gibt es auf dem Markt der Grenzstadt Lao Cai auch maschinell hergestellte Massenware aus China. Die Grenzöffnung in den 1990-Jahren führte zu einem blühenden Handel in der bis dahin abgeschiedenen Region und bescherte der Provinzhauptstadt einen enormen Aufschwung. Dies spiegelt sich zum Bespiel in den schicken Autos wider, die das Straßenbild zunehmend prägen. Trotzdem sind kleine Märkte und Straßenhandel ein bedeutender Faktor geblieben. Ethnologen interessieren sich für soziale Wandlungsprozesse; eine der Forschungsgruppen am Max-Planck-Institut für ethnologische Forschung untersucht die Handelbeziehungen im Norden Vietnams an der Grenze zu China.

Großes Kino in winzigen Dimensionen

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Elektronenbeugungsbild

Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg
© Lai Chung (Nelson) Liu, University of Toronto

Bewegungen von Atomen sehen zu können, während Materie von einem Zustand in einen anderen wechselt, ist ein langgehegter Traum der Forscher. Damit dies gelingt, müssen ultraschnelle Prozesse in Dimensionen aufgezeichnet werden, die kleiner sind als ein Millionstel der Dicke eines Haars. Wissenschaftler schießen dazu Elektronen mit hoher Energie durch die Materialprobe. Dabei werden die elektrisch geladenen Elementarteilchen an dem Kristallgitter gestreut, und es entsteht ein charakteristisches Beugungsbild. Die Kunst liegt darin, dieses oft komplexe Streubild korrekt zu interpretieren. Hier haben die Forscher den Kristall eines organischen Salzes (EDO-TTF) dem Elektronenbeschuss ausgesetzt. Die Höhe und Farbe der Spitzen spiegelt die unterschiedlichen Intensitäten der Reflexe. Ihre Verteilung lässt auf die Struktur des Materials schließen. Viele solcher Schnappschüsse und die darin beobachteten Intensitätsänderungen ergeben einen Film, der die Dynamik der Atome im Kristall zeigt.

Mehr dazu: Kino der Moleküle

Von ganzem Herzen

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Lichtscheibenmikroskopie-Aufnahme

Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Michaela Mickoleit

Angeborene Herzfehler kommen nicht nur beim Menschen vor – auch Zebrafische können davon betroffen sein. Um zu verstehen, wie es zu solchen Fehlbildungen kommt, bietet sich das kleine gestreifte Tier als Modellorganismus geradezu an. Denn die Embryonalentwicklung des Organs verläuft bei Mensch und Fisch sehr ähnlich. Aufnahmen am lebenden Embryo sind wegen der hohen Schlagfrequenz des sich entwickelnden Herzens von ungefähr 120 Schlägen pro Minute jedoch eine echte Herausforderung. Mithilfe von Lichtscheibenmikroskopie und leistungsfähigen Bildbearbeitungsprogrammen gelingen den Forschern aber sogar 3D-Rekonstruktionen. Hier allerdings haben sie das Herz ruhig gestellt, indem sie ein Protein ausgeschaltet haben, das für die Kontraktion wichtig ist. In rot sind die Blutgefäße erkennbar, in blau der Herzmuskel.

Turbulente Analyse

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Computersimulation

Max-Planck-Institut für Informatik, Saarbrücken
Tino Weinkauf, Holger Theisel (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg)

Strömungen von Flüssigkeiten oder Gasen sind in vielen technischen Prozessen von großem, oft auch wirtschaftlichem Interesse – zum Beispiel bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit geringerem Kraftstoffverbrauch. Um die Eigenschaften einer Strömung zu charakterisieren, analysieren Forscher die Bewegung der einzelnen Partikel. Ein wichtiges Merkmal ist dabei die sogenannte Streichlinie, die sich aus einer Vielzahl von Partikeln ergibt, die alle nacheinander vom selben Ort aus in die Strömung eingebracht werden. Im Labor lässt sich dies sehr gut mithilfe von Rauch untersuchen, der fortwährend aus einer Düse geblasen wird und sich mit der Strömung bewegt. In einer computergestützten Visualisierung war dies bisher nicht so einfach. Ein neuer mathematischer Ansatz ermöglicht es nun erstmals, Streichlinien mittels gewöhnlicher Differentialgleichungen zu beschreiben und ihre Eigenschaften wesentlich schneller zu berechnen. Die Streichlinien in diesem Bild wurden mit dem neuen Verfahren in knapp einer Minute berechnet; der klassische Algorithmus benötigt dafür mehr als zwei Stunden.

Tankstelle im All

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Numerische Simulation

Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Gregory Stinson, Andrea. V. Macciò

Auch Galaxien müssen auftanken. Denn vor allem am Beginn ihres Lebens entstehen in ihnen massenhaft neue Sterne – und dafür braucht es die nötige Substanz. Daher haben Galaxien wie unsere Milchstraße bei ihrer Geburt vor rund zehn Milliarden Jahren offenbar große Mengen an kosmischer Materie aus riesigen Reservoirs von Wasserstoff an sich gezogen. Dieser Wasserstoff treibt seit der Frühzeit des Universums in den Weiten des intergalaktischen Raums. Wie aber kommt die Materie in die Milchstraßen? Simulationen am Supercomputer zeigen kalte Materieströme aus Gas, die in eine Galaxie (in der Bildmitte) einfließen. Einer der Materieflüsse wird von hinten von einem entfernten Quasar beleuchtet (unten links). Der Quasar – eine junge Milchstraße, die hell strahlt und viel Energie produziert – wurde in dem Bild ebenso von Hand hinzugefügt wie der Sternenhintergrund.

Mehr dazu: Eine Galaxie tankt auf

Die schönen Seiten des Tabaks

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Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie, teilweise überlagerte Aufnahmen

Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam-Golm
Sandra Stegemann

Vor langer Zeit waren die Chloroplasten, die Solarkraftwerke der Pflanzenzelle, eigenständige Lebewesen – bis sie von größeren Zellen vereinnahmt wurden. Seither haben sie ihre Selbstständigkeit eingebüßt, besitzen aber noch immer eigenes Erbgut. Um herauszufinden, ob Chloroplastengene von einer Pflanze auf eine andere übertragen werden können, markieren Wissenschaftler Tabakpflanzen mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen: Das gelbe YFP markiert ein Protein im Zellplasma (Bildmitte), das grünleuchtende GFP hingegen nur die Chloroplasten (links oben). Diese haben darüber hinaus eine rote Eigenfluoreszenz (links unten). Werden zwei Tabakpflanzen – eine mit gelbleuchtendem Plasma, die andere mit grünfluoreszierenden Chloroplasten – aufeinander gepfropft, so finden sich nach deren Verwachsen Zellen, die gleichzeitig grün und gelb leuchten (Mitte rechts). Das Erbgut der Chloroplasten ist also tatsächlich in die andere Pflanze eingewandert. Da Pflanzen auch unter natürlichen Bedingungen verwachsen, können so evolutionäre Prozesse untersucht und neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung erforscht werden.

Zauber der Optik

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Fotografie

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Klaus Mantel, David Ausserhofer

Sphärische, also kugelförmige, Linsen werden in der Forschung häufig verwendet,zum Beispiel als Frontlinsen in Mikroskop-Objektiven. Eine Sonderform sind dabei sogenannte "solid immersion lenses" (SIL), halbkugelförmige Linsen aus Materialien mit besonders großem Brechungsindex. In vielen Fragestellungen der Physik, Biologie und Medizin spielen sie heute eine wichtige Rolle, weil mitihrer Hilfe eine sehr hohe räumliche Auflösung erzielt werden kann. Hier ist eine solche SIL zu sehen, deren Oberfläche zur Qualitätsprüfung in einem Twyman-Green-Interferometer vermessen wird. Die Linse besteht aus Galliumphosphid (GaP), einem Material, das für Licht bestimmter Wellenlänge transparent ist und einen sehr hohen Brechungsindex besitzt. Dadurch kann die für hochauflösende Untersuchungen erforderliche Fokussierung des Lichts erreicht werden. Auf dem Foto scheint die SIL als Kugel zu schweben, doch dies beruht auf einer Täuschung: Die halbkugelförmige Linse und das Objektiv des Interferometers spiegeln sich im „Objektträger“, einem Metallspiegel, auf dem die Linse liegt.

 
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