Adventskalender 2018

Wirbelstürme wachsen, indem sie der Atmosphäre und dem Meer Energie entziehen. Sie entstehen, wenn die Erde große Mengen an Energie aus Bereichen, in denen sie sich ansammelt, nicht effizient ableiten kann. Die bekanntesten Wirbelstürme sind die Hurrikane des Nordatlantiks und Taifune des Nordpazifiks. Als besonders zerstörerisch werden jedoch oft die Zyklone des Indischen Ozeans wahrgenommen, die mit heftigsten Winden und sintflutartigen Regenfällen über die Stille der Tropen hereinbrechen. Doch selbst im Mittelmeer gibt es Stürme mit tropischem Charakter. Mithilfe der heutigen „Supercomputer“ können Forscher solche Stürme virtuell im Rechner erzeugen, um deren Struktur und Dynamik zu untersuchen und so die Prognosen über ihre Entstehung und Entwicklung zu verbessern. Das Bild zeigt die Intensität der oberflächennahen Winde eines Zyklon-ähnlichen Sturms im Mittelmeer.

Numerische Simulation

Historische Fotografien werden häufig als schwarz-weiß bezeichnet, doch genau genommen haben auch sie ein breites Farbspektrum: Die tatsächlichen Farben des Motivs werden in eine vom jeweiligen Verfahren abhängige Tonskala übersetzt, Negativ und Abzug nehmen dabei einen bestimmten Grundton an. Die Bezeichnung „Schwarz-Weiß-Fotografie“ entstand erst Anfang des 20. Jahrhunderts, um bisherige Techniken von der aufkommenden Farbfotografie zu unterscheiden. Dieses Kollodium-Glasnegativ mit der Ansicht von Florenz entstand zwischen 1860 und 1880. Um es herzustellen, wurde eine Emulsion aus Kollodium auf eine Glasplatte gegossen, durch Silberhalogenid lichtempfindlich gemacht und in der Kamera belichtet. Um 1880 wurden diese aufwendig herzustellenden Negative zusehends von industriell gefertigten Gelatine-Trockenplatten abgelöst.

Kollodium-Negativ mit Sepia-Grundton

Kräuselungen in der Raumzeit? Das klingt mehr nach Fiktion als nach Forschung. Und doch war es Albert Einstein, der ein solches Phänomen bereits vor mehr als einem Jahrhundert voraussagte. Am 14. September 2015 geschah dann, woran der geniale Physiker selbst nie geglaubt hatte: Zwei Detektoren in den USA fingen erstmals solche Kräuselungen, genannt Gravitationswellen, auf und eröffneten damit einen komplett neuen Blick ins Universum. Als Quelle entpuppten sich zwei schwarze Löcher, die in einer fernen Galaxie vor etwa 1,3 Milliarden Jahren miteinander verschmolzen waren. Die Messdaten haben Wissenschaftler visualisiert und dabei dieses Bild des kosmischen Crashs geschaffen. Seit der Erstentdeckung vor gut drei Jahren sind zehn weitere Signale ins Netz gegangen. Eines davon stammt nicht von schwarzen Löchern, sondern aus der Kollision zweier Neutronensterne. Mehr dazu: Observatorien LIGO und Virgo veröffentlichen ersten Katalog

Wissenschaftliche Visualisierung einer numerischen Simulation

Das Herz ist das erste funktionsfähige Organ eines sich entwickelnden Kindes und Fehlentwicklungen dieses Organs führen oft zum Tod des Embryos. Wissenschaftler möchten daher verstehen, wie die Entwicklung des gesunden Herzens im Detail verläuft. Dazu untersuchen sie die Herzentwicklung zum Beispiel bei der Maus, denn deren Entwicklungswege sind denen des Menschen sehr ähnlich. Bereits die ersten Zellen des Herzens werden mit fluoreszierenden Proteinen markiert. Teilen sich diese Zellen, geben sie die Markierungen an alle Nachfahren weiter – was zu den hier gezeigten charakteristischen Fleckenmustern auf dem Mausherz führt. Und obwohl sich die einzelnen Zellen sehr unterschiedlich verhalten, folgt die Größe der Flecken universellen Gesetzmäßigkeiten – eine wichtige Erkenntnis zur Interpretation dieser Experimente um ein grundlegendes Verständnis des Verhaltens von Stammzellen zu erlangen.

Fluoreszenzmikroskopie

Im Laufe der Evolution hat sich eine erstaunliche Vielfalt an Blattformen entwickelt. Sie ermöglicht es Pflanzen, unter verschiedenen klimatischen Bedingungen optimal zu „funktionieren“. Wie sich die unterschiedliche Gestalt von Blättern herausbildet und was die treibende Kraft für deren Vielfalt ist, interessiert die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung. Das behaarte Schaumkraut (Cardamine hirsuta) bildet durch zusammengesetzte – sogenannte gefiederte – Blätter eine grundständige Rosette. Die Farben im Bild sind das Ergebnis künstlerischer Freiheit: Das gelbrote Glühen spiegelt die Umweltbelastung, der Pflanzenblätter tagtäglich ausgesetzt sind, etwa durch Schwankungen von Temperatur, Licht, Feuchtigkeit oder aufgrund von Infektionen.

Digitale Fotografie mit Weitwinkel-Makroobjektiv

Weil fleischfressende Pflanzen in einer sehr nährstoffarmen Umgebung wachsen, benötigen sie Nahrungsergänzungsmittel in Form von tierischer Kost. Um an diese zu gelangen, haben sie hochspezialisierte Fang- und Verdauungsmechanismen entwickelt, wie zum Beispiel die aus umgeformten Blättern hervorgegangenen Kannen der Gattung Nephentes. Die hier gezeigte Art Nepenthes alata kommt im philippinischen Regenwald vor, wo sie Insekten und andere Gliederfüßer wie in einer Fallgrube fängt. Als Lockmittel dienen Duft und optische Reize, aber auch süßer Nektar, der am Kannenrand produziert wird und hier im Fluoreszenzlicht leuchtet. Rutscht die Beute ab und gerät ins Kanneninnere, gibt es jedoch Saures – in Form einer angesäuerten Flüssigkeit, die einen ganzen Cocktail von Verdauungsenzymen enthält.

Digitale Fotografie unter UV-Licht

Vor mindestens 15.000 Jahren begannen Menschen, Wölfe zu zähmen und Hunde zu züchten. Welche Rolle diese Tiere damals spielten, liegt aber noch völlig im Dunklen. Nun geben in Felsen geritzte Bilder, die Max-Planck-Wissenschaftler in Saudi-Arabien entdeckt haben, erste Hinweise auf das Zusammenleben von Mensch und Tier. Zu sehen sind Männer und Hunde bei der Jagd – und einige der Hunde tragen Leinen! Vielleicht handelt es sich dabei um besonders erfahrene, wertvolle Hunde oder um junge Tiere, die noch trainiert werden müssen. Oder die Männer wollten einige Hunde in ihrer Nähe haben, um sich selbst zu schützen.
Zu sehen ist ein Ausschnitt aus einer Jagdszene mit Hunden und einem Löwen; hinter dem Löwen sind weitere Hunde eingraviert. Um die Bilder deutlicher zu machen, wurden sie weiß hervorgehoben.
Weitere Bilder: An die Leine!

Fotografie

Aus einer einzigen befruchteten Eizelle entstanden und doch nicht immer identisch: Eineiige Zwillinge tragen das gleiche Genmaterial – und zeigen trotzdem bereits in den frühen Stadien vor der Einnistung in die Gebärmutter gewisse Unterschiede. Wie diese entstehen, untersuchen Forscher am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin anhand von im Labor erzeugten eineiigen Mausembryonen – hier zu sehen im Blastozysten-Stadium. Aus den grün und blau fluoreszierenden Zellen bilden sich in der weiteren Entwicklung extraembryonale Gewebe wie etwa die Plazenta. Die späteren Föten entwickeln sich aus den hier rot gefärbten Epiblast-Zellen. Allerdings verfügt in diesem konkreten Fall nur eine der beiden Blastozysten über genügend Epiblast-Zellen, um nach der Einnistung weiter entwicklungsfähig zu sein.

Immunofluoreszenzmikroskopie

Stahl ist einer der vielseitigsten Konstruktionswerkstoffe überhaupt. Da sich seine Eigenschaften durch Umformen, Wärmebehandeln und nicht zuletzt durch geschicktes Legieren – also dem Hinzufügen unterschiedlicher Mengen anderer Elemente – über weite Bereiche beeinflussen lassen, sind heutzutage maßgeschneiderte Sorten für die verschiedensten Anwendungen verfügbar. Am Max-Planck-Institut für Eisenforschung loten Wissenschaftler die Charakteristika verschiedener Werkstoffe bis auf die atomare Ebene aus. Die Farben verdeutlichen die Kristallorientierungen, die maßgeblich die Eigenschaften des Materials beeinflussen.

Elektronenmikroskopie

Mitten im Herzen der Milchstraße lauert ein gewichtiges schwarzes Loch. Die Schwerkraftfalle, deren Masse mehr als vier Millionen Mal so groß ist wie die unserer Sonne, wird von einer kleinen Gruppe von Sternen umgeben, die mit hoher Geschwindigkeit ihre Bahnen ziehen. Einen dieser Sterne, genannt S2, haben die Astronomen bei seinem Umlauf um das Schwarze Loch in diesem Frühjahr mit einer bisher unerreichten Genauigkeit beobachten können. Dabei registrierten sie einen Effekt, den Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vor mehr als 100 Jahren vorhergesagt hat – die Gravitations-Rotverschiebung: Das Licht des Sterns wird bei dessen Annäherung an das schwarze Loch durch die extreme Schwerkraft zu längeren Wellenlängen hin verschoben – der Stern leuchtet rötlich.
Mehr dazu: Im Schwerefeld des schwarzen Lochs

Illustration

Biofilme sind Gemeinschaften von Mikroorganismen, die sich in einer schützenden Schleimschicht verschanzt haben. Da sie sich nur schwer bekämpfen lassen, sind sie in der Medizin ein ernstzunehmendes Problem. Der hier gezeigte Biofilm besteht jedoch aus harmlosen Escherichia coli-Bakterien, die in eine faserige Matrix aus Protein und modifizierter Zellulose eingebettet sind. Das ästhetische Muster entsteht, während sich der – hier übrigens angefärbte – Film ausbildet. Um effizienter gegen Biofilme vorgehen zu können, möchten Forscher die architektonischen Prinzipien dahinter verstehen. Davon könnte nicht nur unsere Gesundheit profitieren, beispielsweise bei Implantat- oder Gewebeinfektionen. Auch bei industriellen Prozessen, etwa in der Nahrungsmittelproduktion, sind Biofilme ein wichtiger Hygienefaktor.

Fluoreszenzbildaufnahme mit einem Stereomikroskop

Zellen tauschen unablässig Informationen untereinander aus. In einem sich entwickelnden Embryo etwa müssen unreife Zellen wissen, was aus ihnen einmal werden soll. Im ausgewachsenen Organismus ist es wichtig, Alarm zu schlagen, wenn etwas repariert werden muss. Forscher am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik untersuchen die molekularen Eigenschaften der Signale und Empfänger, die dafür sorgen, dass sich aus Zellen zunächst Gewebe und schließlich komplexe Organe bilden – so wie hier die Netzhaut (Retina) einer Fruchtfliege. Das Bild zeigt einen Schnitt durch das Komplexauge der Fliege. Rechts unten sind die Linsen der Einzelaugen zu erkennen, links oben Teile des Gehirns. Blau leuchten die Rhabdomere, die Licht-sensitiven Strukturen der Sinneszellen.

Immunfluoreszenzmikroskopie

Im äußersten Norden Vietnams, direkt an der Grenze zu China, bereitet sich die kleine katholische Gemeinde der Provinzhauptstadt Lao Cai auf das Weihnachtsfest vor. Bunte Wimpel und ein großer Stern schmücken das Kirchengebäude, das erstmals im Jahr 1895, also während der französischen Kolonialherrschaft, errichtet wurde. Für die vielen Markt- und Straßenhändlerinnen in Lao Cai bietet die Weihnachtszeit zusätzliche Geschäftsmöglichkeiten, beispielsweise durch den Verkauf von Weihnachtsdekoration, Nikolauskostümen oder Süßigkeiten. Aus ethnologischer Sicht ist die Grenzstadt, der der rege Handel mit China in den vergangenen Jahren einen enormen Aufschwung beschert hat, ein idealer Ort, um das komplexe Geflecht sozialer Beziehungen, informeller Netzwerke und politischer Strukturen zu untersuchen, das das Alltagsleben vieler Vietnamesen bestimmt.

Fotografie

Kulturelle Errungenschaften, die von Generation zu Generation weitergegeben werden, sind ein wichtiger Teil dessen, was den Menschen ausmacht. Gerade auch die eindrucksvollen Höhlenmalereien, die wir aus dem Jungpaläolithikum kennen, galten bisher als Alleinstellungsmerkmal des modernen Menschen (Homo sapiens). Mithilfe der sehr genauen Uran-Thorium-Datierungstechnik haben Wissenschaftler nun aber nachgewiesen, dass Neandertaler bereits vor über 65.000 Jahren und somit mehr als 20.000 Jahre vor der Ankunft moderner Menschen in Europa Höhlenkunst geschaffen haben. Dieser Handabdruck eines Neandertalers in der Maltravieso-Höhle in Westspanien (Extremadura) ist mehr als 66.000 Jahre alt. Die neuen Daten legen nahe, dass auch Neandertaler symbolisch denken konnten und dass ihre geistigen Fähigkeiten denen des modernen Menschen durchaus ebenbürtig waren.
Mehr dazu: Neandertaler dachten wie wir

Fotografie (farbverstärkt)

Es braucht schon einen Supercomputer, um Millionen von Galaxien in einem virtuellen Weltall entstehen zu lassen. Ein solches Elektronenhirn namens Hazel Hen haben die Forscher mit Daten vom Anfangszustand des Kosmos gefüttert und es dann die Entwicklung des Alls über die Äonen simulieren lassen. Allein für eine der beiden Hauptberechnungen dieses IllustrisTNG genannten Projekts „rödelten“ 24.000 Prozessoren rund zwei Monate lang. Die Simulation erzeugte dabei einen würfelförmigen Ausschnitt des Universums mit einer Kantenlänge von etwa einer Milliarde Lichtjahren. In ihm zeichnet sich die großräumige Struktur des Universums als blaues Geflecht aus Gas und Sternen ab. Dieses leuchtende Netz spiegelt das darunterliegende „Rückgrat“ aus gelblichweiß dargestellter dunkler Materie wider, aus dem ungefähr ein Viertel des Weltalls besteht.
Mehr dazu: Das Universum aus dem Großrechner

Computersimulation

Omnis cellula e cellula – jede Zelle entsteht aus einer Zelle, das wusste der Pathologe Rudolf Virchow schon 1885. Doch wie sind die ersten Zellen entstanden und was macht eine Zelle aus? Nun, irgendwann vor etwa vier Milliarden Jahren begann das Leben, sich abzukapseln. Die ersten Zellen waren vermutlich einfache, wassergefüllte Bläschen aus Fettsäuren, die genetische Information in Form von RNA umschlossen. In diesem geschützten Raum konnten sich dann komplexere Moleküle bilden. Um zu erforschen, wie sich die ersten primitiven Zellen weiterentwickelt haben und wie der Austausch von genetischem Material zwischen ihnen funktioniert haben könnte, nutzen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie künstlich erzeugte Riesenvesikel, die rot beziehungsweise grün markierte DNA enthalten. Werden die Vesikel eingefroren und wieder aufgetaut, vermischen sich die Inhalte und somit auch die Farben. Genau das zeigt unser Bild. Entsprechende Umweltbedingungen könnten es auch den frühen Zellen ermöglicht haben, genetische Information auszutauschen – ein entscheidender Schritt in der Evolution.

Fluoreszenzmikroskopie

Bei den Thorshühnchen, arktischen Watvögeln, kümmern sich ausschließlich die Männchen um das Brüten und die Aufzucht der Jungtiere – ein im Tierreich seltenes Verhalten. Immerhin können Männchen nie ganz sicher sein, ob sie mit allen Jungen verwandt sind oder ob sie in „Kuckuckskinder“ investieren. Um die Verwandtschaft zu testen, ohne die Jungtiere samt Vater im Nest zu stören, tauschten Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für Ornithologie die echten Eier gegen detailgetreue Plastikversionen (hier zu sehen) aus. Die echten Eier wurden im Inkubator ausgebrütet. Bevor die frisch geschlüpften Küken in einem unbeobachteten Moment zurück ins Nest gebracht wurden, nahmen die Wissenschaftler ihnen eine kleine Blutprobe ab, um diese mit Proben des vor der Eiablage noch verpaarten Elternpaares zu vergleichen. Die Vaterschaftsanalyse zeigte, dass die Weibchen den fürsorglichen Vätern ihrer Küken in der Regel sehr treu sind.

Fotografie

Elektronen bewegen sich mit atemberaubenden Geschwindigkeiten. Will man sie beobachten, braucht man ultrakurze Lichtpulse. Um die Teilchen darüber hinaus sogar zu steuern, ist „ultraweißes“ Laserlicht erforderlich. Es umfasst nicht nur alle Farben des sichtbaren Spektrums, sondern auch Infrarot- und Ultraviolettwellen. Doch damit nicht genug: Die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten schwingenden Wellen müssen außerdem sinnvoll kombiniert werden. Wissenschaftler haben dazu einen sogenannten „Lichtwellen-Synthesizer“ entwickelt, der das einfallende weiße Laserlicht in drei Farbkanäle aufspaltet und anschließend modifiziert wieder zusammensetzt. Dabei entstehen Laserpulse mit komplexen, aber fein justierbaren Wellenverläufen. Die Pulse können dann sogar aus weniger als einer vollen Schwingung bestehen und nur etwa zwei Femtosekunden dauern (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). So wird die präzise Steuerung von Elektronenbewegungen möglich.

Fotografie

Große Teile des Genmaterials von Pflanzen und Tieren – und auch des Menschen – bestehen aus kleinen, sich stets wiederholenden Genabschnitten, die sich vermehren und an immer wieder neuen Stellen im Genom einbauen. Mit einigem Recht kann man hier von Parasiten-DNA sprechen. Welchen Sinn diese auch als Transposons bezeichneten Gensequenzen haben, ist noch nicht klar – manche Wissenschaftler vermuten, dass sie das Erbgut flexibel halten und so die Evolution antreiben. Um sich immer wieder an neuen Stellen im Genom zu integrieren, benötigen die Schmarotzer-Gene die Hilfe spezieller Proteine. Diese lassen sich kristallisieren und dann auf ihre räumliche Struktur hin untersuchen. Genau solche Transposon-Proteinkristalle zeigt unser Bild.
Mehr dazu: Gene als Schmarotzer [PDF]

Lichtmikroskopie mit Polfilter

Wo der Mensch einen Zollstock nutzt, um seine Umgebung zu erfassen, da nutzen Zellen Oberflächenrezeptoren. Über die Zugkraft von Verbindungen mit ihrer Umwelt nehmen sie Maß. Um diese Kräfte zu messen, bieten Forscher den Zellen künstliche Oberflächen an – in diesem Fall ein Hydrogel mit eingelagerten Goldpartikeln, an welche die Zellen andocken können (die „lila Kügelchen“ auf dem Bild). Abhängig von der Entfernung zwischen den Partikeln übertragen Rezeptoren unterschiedliche Kräfte, so dass die Zelle die mechanische Umgebung „fühlen“ und „lesen“ kann”. Da die Zelle dabei mehr oder weniger stark an der Oberfläche zieht und sie verformt, ist dies mit einem entsprechend ausgerüsteten Mikroskop messbar. Invasive Krebszellen zeigen besonders hohe Zugkräfte – möglicherweise ein Indiz dafür, dass sie ihre Umgebung anders „sehen“ als normale Zellen.

Traktionskraftmikroskopie

Den richtigen Augenblick und die passende Stimmung treffen – das gilt nicht nur für Fotografen auf der Erde, sondern auch für Roboter im All. Just in dem Moment, als die Sonne über der Imhotep-Region des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko aufging, sich die Oberfläche des schmutzigen Eisballs dadurch erwärmte und begann, Staub in den Weltraum zu blasen, kam die Sonde Rosetta des Wegs. Und der Zufall wollte es, dass das Kamerasystem Osiris genau auf diejenige Stelle der Oberfläche zeigte, an der die Fontäne ihren Ursprung nahm: eine runde Region von etwa zehn Metern Durchmesser innerhalb einer Senke, in der gefrorenes Wasser existiert. Die Mission des irdischen Spähers ist zwar längst vorbei – Rosetta fiel am 30. September 2016 auf den Kometenkern – aber die Auswertung der gesammelten Daten läuft noch heute. Und bisweilen finden sich wahre Schätze…

Fotografie

Karten bilden Räume nicht einfach nur ab, sie erschaffen sie. Denn nicht nur die Gegenwart, sondern auch vergangene Dinge spielen eine Rolle für das Bild, das wir uns von einer Stadt machen. Und für welche Stadt könnte das mehr gelten als für Rom? Zu sehen ist ein Ausschnitt aus der ältesten bekannten Karte Roms der Nachantike; in Auftrag gegeben um 1320 von Paolino Minorita. Dessen „Universalgeschichte“ kombiniert chronologische Tabellen, Fließtext und auch Karten, um die Geschichte von der Erschaffung der Welt bis zur (damaligen) Gegenwart greifbar und verständlich zu machen. Gut erkennbar sind die Stadtmauern, das Pantheon (mit seiner markanten dunklen Vorhalle), das Kolosseum (rechts unten mit Kuppel) sowie der Tiber, der sich durch die Stadt schlängelt, vorbei an einem antiken Zirkus (Circo) – den es im 14. Jahrhundert so allerdings gar nicht mehr gab. Ziel der Karte ist es, das historische Wissen in die Ansicht zu integrieren und so Geschichte auf den Raum zu projizieren.

Fotografie

Die Nervenzellen im Gehirn sind in klar definierten Schichten angeordnet. Diese Nervenzellschichten und ihre Verbindungen bilden die Grundlage für das organisierte Verarbeiten von Informationen. Mithilfe bestimmter Färbetechniken können Wissenschaftler die unterschiedlichen Schichten sichtbar machen, so wie hier im Hirnschnitt einer Maus (gezeigt ist nur ein Ausschnitt davon). Zu sehen sind Teile der Nervenzellschicht 6 der Großhirnrinde sowie des Hippocampus. Diese Schicht ist entscheidend für die Kommunikation zwischen dem Neokortex – dem entwicklungsbiologisch neueren Teil des Gehirns – und älteren Hirnstrukturen. Mittels Antikörperfärbung haben die Forscher ein bestimmtes Protein markiert, das in dieser Schicht für die ordnungsgemäße Entwicklung der Nervenzellfortsätze sorgt. Zellen, die dieses Protein enthalten, leuchten rot, solche ohne das Protein erscheinen grün.

Fluoreszenzmikroskopie

Der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre war seit Hunderttausenden von Jahren nicht mehr so hoch wie heute. Um den aktuellen Klimawandel besser verstehen und das künftige Klima genauer vorhersagen zu können, schauen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemie zurück in die Vergangenheit: Der Eisrand in Grönland legt an seiner Abbruchkante die Eisschichten der letzten 20.000 Jahre frei. Wie in einem gigantischen Klimaarchiv sind darin Informationen über die klimatischen Bedingungen früherer Zeiten gespeichert. So können die Forscher etwa anhand von Eisbohrkernen und den darin eingeschlossenen Gasblasen rückschließen, wie die Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt zusammengesetzt war und wie sich das auf das Klima und das Leben auf der Erde auswirkte.

Digitalfotografie