Adventskalender 2019

Lärm schadet nicht nur uns Menschen – auch bei Vögeln bleibt ein chronisch erhöhter Geräuschpegel nicht ohne Folgen. In einer Studie ließen Ornithologen je eine Gruppe von Zebrafinkenpaaren in ruhiger und in lauter Umgebung brüten. Der zweiten Gruppe spielten sie während der gesamten Brutzeit tagsüber den Verkehrslärm von mehrspurigen Münchner Straßen vor, nachts den ruhigeren nächtlichen Verkehr. Das Ergebnis: Küken, die in einem lauten Nest aufgezogen wurden, wuchsen langsamer als ihre Artgenossen in ruhiger Umgebung. Laboruntersuchungen ergaben zudem, dass ein andauernd hoher Geräuschpegel den Anstieg von Stresshormonen im Blut der Elternvögel unterdrückt. Vermutlich wird durch diese Anpassung der Organismus vor den negativen Auswirkungen von dauerhaften Stress geschützt. Gleichzeitig wird jedoch eine normale, natürliche Stressantwort des Körpers – zum Beispiel in Gefahrensituationen – verhindert. Diese Befunde geben Hinweise darauf, dass selbst Vogelarten, die in Städten scheinbar gut zurechtkommen, durch ständigen Verkehrslärm beeinträchtigt werden können.
Mehr dazu: Lärm macht krank – nicht nur den Menschen

Neutronensterne sind im wahrsten Sinne harte Brocken: Ein Teelöffel voll ihrer Materie würde etwa so viel wiegen wie das Zugspitzmassiv. Gelegentlich kommen sich zwei dieser nur etwa 30 Kilometer durchmessenden Sternleichen nahe und verschmelzen in einem wilden Tanz zu einem noch kompakteren Objekt – einem schwarzen Loch. Bei der Geburt eines solchen Massemonsters werden viele verschiedenartige Signale ausgestrahlt, die sich mit unterschiedlichen Observatorien beobachten lassen. Welche kommen dafür infrage? Um das vorherzusagen, bauen Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam die Natur mithilfe leistungsfähiger Großrechner nach. Hier sind zwei Neutronensterne zu einem schwarzen Loch (Bildmitte) verschmolzen. Es ist von einem Ring aus Materie umgeben, die bei der Verschmelzung ins All hinausgeschleudert wurde. Deren abnehmende Dichte lässt sich hier am Farbverlauf von grün nach blau erkennen. Das weitere Schicksal dieser Materie ist allerdings schon besiegelt: Sie wird nach und nach in der Raumzeitfalle verschwinden.
Mehr dazu: Neutronensterne besser verstehen

Neues menschliches Leben beginnt damit, dass ein Spermium und eine Eizelle verschmelzen. Dabei vereinigen sich das genetische Material von Mutter und Vater, gespeichert in Form der Chromosomen. Während in jeder normalen Zelle unseres Körpers jedes dieser insgesamt 23 Chromosomen zweimal vorhanden ist, enthalten die Keimzellen – Eizellen und Spermien – jedes Chromosom nur einmal. Nach der Vereinigung ist dann wieder ein normaler „doppelter“ Chromosomensatz vorhanden. Damit das funktionieren kann, muss bei der Reifung der Eizelle in einer besonderen Form der Zellteilung, Meiose genannt, die eine Hälfte der Chromosomen „entsorgt“ werden: Dabei entsteht eine sehr kleine Zelle, das Polkörperchen, in die die überzähligen Chromosomen ausgeschleust werden. Unser Bild einer Eizelle während der Meiose zeigt das Polkörperchen (am oberen Bildrand), die Mikrotubuli (Bestandteile des Zellskeletts, die auch die Maschinerie bilden, die die Chromosomen verteilt; hier blau angefärbt) sowie die Chromosomen (grün-türkis) und die in magenta leuchtende Zellmembran. Forscherinnen und Forscher am MPI für biophysikalische Chemie untersuchen die Mechanismen, die den Ablauf der Meiose steuern.
Mehr dazu: Fruchtbare Forschung

Nein, hier wurde weder ein Silvesterfeuerwerk fotografiert noch betrachten wir ein Gemälde von Jackson Pollock. Stattdessen geht es um einen überlebenswichtigen Vorgang, den jeder kennt, der sich schon einmal in den Finger geschnitten oder das Knie aufgeschürft hat: die Blutgerinnung. Hauptakteure sind die Blutplättchen, auch Thrombozyten genannt – winzige Zellfragmente, die unter dem Lichtmikroskop gerade noch sichtbar sind. Um die Blutung zu stoppen, bilden sie lange Ausläufer und formen so im Zusammenspiel mit langkettigen Gerinnungsproteinen ein stabiles Aggregat, den Thrombus. Das im Original schwarz/weiße REM-Bild wurde am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie aufgenommen. Um die Strukturen deutlich hervorzuheben, haben die Wissenschaftler den Thrombozyten durch Bildbearbeitung nachträglich eingefärbt.

Der Brennstoff in einem zukünftigen Fusionskraftwerk – ein ultra-dünnes Wasserstoff-Plasma – hat eine Zündtemperatur von über 100 Millionen Grad Celsius. Obwohl er durch ein Magnetfeld in der Schwebe gehalten wird und die Wände der Brennkammer nicht berührt, müssen diese doch hohen Temperaturen und vor allem kurzen, intensiven Wärmepulsen aus dem heißen Plasma standhalten. Dafür werden komplex geformte Bauteile aus Wolfram entwickelt, dem Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt überhaupt. Das Material hat eine feine Gitterstruktur, die dem hitzebeständigen Wolfram zusätzlich eine niedrige Wärmeleitfähigkeit verleiht. So kann das Spezialmaterial die dahinterliegenden Wandpartien vor thermischer Überlastung schützen. Mit konventionellen Verfahren wie zum Beispiel Fräsen oder Pressen lassen sich solch filigran geformten Wolfram-Objekte jedoch nicht herstellen. Sie werden „ausgedruckt“: Ein computergesteuerter Laserstrahl schmilzt lagenweise Wolfram-Pulver im Muster der gewünschten Gitterstruktur zusammen, das Bauteil baut sich Schicht für Schicht auf.
Mehr dazu: Aus dem 3D-Drucker

Am fünften Tag der Reise kommt ein gewaltiger Sturm auf, und das Schiff wird abgetrieben – direkt auf den Magnetberg zu. Was die Seefahrer im Volksbuch „Herzog Ernst“ aus dem späten 12. Jahrhundert erleben, gehört ins Reich der Fabel. Doch Magnetsterne gibt es wirklich. Diese Magnetare, kompakte Überbleibsel von Supernovae, sind die stärksten Magneten im All. Wie aber kommen sie zu ihrer ungewöhnlich hohen Anziehungskraft? Ein Team von Astrophysikern aus Deutschland und Großbritannien hat dieses 70 Jahre alte Rätsel nun gelöst. Am Computer verschmolzen die Forscher zwei Sterne, von denen jeder ein ganz normales Magnetfeld besaß. Auf dem Bild ist dieser Prozess zu sehen, die Färbung zeigt die Stärke des Magnetfelds, die Schraffierung stellt die Feldlinien dar. Das Endprodukt der Simulation war ein einziger, jetzt aber äußerst stark magnetischer Stern. Explodiert er eines Tages als Supernova, wird aus den Trümmern ein Magnetar geboren.
Mehr dazu: Was Magnetare magnetisch macht

Der Satz von Bézout, benannt nach einem französischen Mathematiker, spielt eine wichtige Rolle in einem Teilgebiet der Mathematik, der Algebra. Er beschreibt, wie viele Schnittpunkte algebraische Kurven besitzen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften beschäftigen sich mit einem Sonderfall dieser Kurven, den sogenannten kubischen Kurven. Mit Hilfe des Satzes von Bézout konnten sie zeigen, dass alle kubischen Kurven, die sich in acht gegebenen Punkten schneiden, einen neunten gemeinsamen Punkt haben müssen. Die Abbildung zeigt eine solche Berechnung, wobei der neunte Punkt als leuchtender Fixstern dargestellt ist. Konkrete Anwendungen finden diese Kurven beziehungsweise die zugrundeliegenden algebraischen Gleichungen zum Beispiel in der Kryptographie oder auch im Fahrzeugbau. Und wer jetzt denkt, noch nie zuvor eine dieser Kurven gesehen zu haben, könnte falscher nicht liegen: Allein dieser Text enthält zahlreiche kubische Kurven – jede geschwungene Linie eines Buchstaben wird nämlich damit beschrieben.

Kaum laden im Frühling mildere Temperaturen zum Aufenthalt im Freien ein, beginnt für Allergiker auch eine neue Leidenszeit. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie interessiert, inwieweit auch Luftschadstoffe dabei eine Rolle spielen. Denn Luftschadstoffe wie Ozon und Stickoxide verändern Protein-Makromoleküle und somit auch die beiden Hüllen, die ein Pollenkorn schützend umgeben. Die äußere skelettartige Schicht, Exine genannt, verleiht dem Pollen mechanische Stabilität; die innere Pollenwand, die Intine, schützt die eigentliche Keimzelle. Besonders deutlich zu erkennen ist der Unterschied zwischen diesen beiden Strukturen bei Lilienpollen, deren Exine ein ornamentartiges Muster bildet, das an das Fell einer Giraffe erinnert. Bei der Betrachtung unter dem Mikroskop gibt die Autofluoreszenz der beiden Schichten – hier rötlich für die innere Pollenwand und grün-gelblich für das Pollenskelett – Aufschluss darüber, welche chemischen Substanzen dort angereichert sind. Allerdings sind Lilienpollen mit etwa 160 Mikrometern recht groß und schwer. Sie werden daher – im Unterschied zu Birken-, Kiefern- und Haselpollen – im Wesentlichen nicht durch den Wind, sondern durch Insekten verbreitet.

Schwarze Raucher sind hoch aufragende Schlote, an denen heißes, mineralreiches Wasser aus dem Meeresgrund strömt. An diesen auf den ersten Blick extrem lebensfeindlich wirkenden Orten in der Tiefsee haben sich ganz eigene Artengemeinschaften herausgebildet. Um dort überleben zu können, ist allerdings Teamgeist gefragt: Muscheln etwa beherbergen symbiotische Bakterien, die für Tiere nicht nutzbare Stoffe aus den heißen Quellen in Nahrung für ihre Wirte umwandeln. Im Gegenzug für die bereitgestellte Kost erhalten die Mikroben freie Logis in einem geschützten Raum, an dem sie kontinuierlich von schwefel- und methanhaltigem Wasser umspült werden, das sie zur Energiegewinnung nutzen. Das Bild zeigt einen Querschnitt durch die Muschel Bathymodiolus azoricus – eine entfernte Verwandte der essbaren Miesmuschel, die in flacherem Wasser zuhause ist. Schwefeloxidierende (hier in goldgelb) und methanoxidierende (magenta gefärbte) Bakterien besiedeln Kiemen, Fuß und Mantelgewebe.
Mehr dazu: Überraschend viele Untermieter

Die Lisu sind eine der etwas mehr als 50 offiziell anerkannten ethnischen Minderheiten in der Volksrepublik China. Ihr Siedlungsgebiet erstreckt sich jedoch weit über Chinas südöstliche Provinz Yunnan hinaus nach Myanmar und Indien. Charakteristisch für die Lisu ist eine große Verbreitung des Christentums. In einem ethnomusikalischen Projekt wurde untersucht, wie der Kirchen- und Chorgesang es den Lisu ermöglicht, soziale Verbindungen über Grenzen hinweg aufzubauen und zu erhalten. Die Basis bilden ein reger Handel mit Audio- und Video-Aufnahmen der christlichen Lisu-Musik sowie Verbindungen zur Plattenindustrie in den Grenzregionen Myanmars. Der freie grenzüberschreitende Austausch von Musik und religiösen Ideen prägt – neben der staatlichen Politik, neuen Verkehrs- und Kommunikationsmitteln und dem technologischen Fortschritt – die Entwicklung dieser Grenzregion.
Weitere Bilder: Gospels der Lisu

Knecht Ruprecht, Krampus oder Bartl – wilde Gestalten begleiten im Brauchtum in vielen Gegenden Deutschlands den heiligen Nikolaus. Ist hier einer von ihnen samt Rutenbündel in die Fänge der modernen Medizin geraten? Weit gefehlt – und doch ist das CT-Bild ungewöhnlich, denn es zeigt das komplett aus Knorpel aufgebaute Skelett eines Süßwasserrochens aus dem Amazonasbecken. Anders als der beim Menschen vorkommende Knorpel ist das Knorpelgewebe von Haien und Rochen von einer dünnen Schicht aus mineralisierten Plättchen überzogen. Diese unzähligen, kleinen, zusammengefügten Kacheln machen das an sich weiche Knorpelgewebe so fest, dass es im Körper der „Knorpelfische“ die Funktion von Knochen erfüllen und zum Beispiel als Ansatz für die Muskeln dienen kann. Und es macht das Gewebe besonders dicht, so dass es – anders als der Knorpel in unseren Ohren, Nasen oder Knien – im Röntgenbild sichtbar ist.

Die im 15. Jahrhundert erbaute Königliche Kapelle (Capilla Real) im Kloster Santo Domingo in Valencia wird von einem der imposantesten Gewölbe überdacht, die je errichtet wurden. Jeder einzelne Stein wurde individuell für seinen Zweck zugeschnitten und trägt einen Teil der Gesamtlast. So scheint das Gewölbe ohne erkennbare Stützen unmittelbar in die Wand hineinzufließen und wirkt dadurch trotz seiner Massigkeit leicht wie ein Zelt. Eine Meisterleistung der Statik!
Geplant als Grabkapelle für König Alfons V. von Aragon und Maria von Kastilien, wurde die Kapelle in Valencia jedoch nie als solche genutzt. Stattdessen engagierte Alfons in Neapel, seiner neuen Residenzstadt, Künstler und Architekten aus ganz verschiedenen europäischen Ländern. Der Kulturtransfer im Mittelmeerraum, der in diesen Bauprojekten sichtbar wird, ist einer der zentralen Forschungsbereiche der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Bibliotheca Hertziana, dem Max-Planck-Institut für Kunstgeschichte in Rom.

Elektronen bewegen sich mit atemberaubenden Geschwindigkeiten. Wer sie beobachten will, muss schnell sein. Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik nutzen dazu ultrakurze Lichtblitze, die nur Attosekunden – das heißt nur wenige Milliardstel einer milliardstel Sekunde – dauern. Damit lassen sich Elektronen in Atomen und Molekülen nicht nur beobachten, sondern sogar fotografieren oder steuern. Um die ultrakurzen Lichtpulse zu erzeugen, wird ein Edelgas mit einem Laserstrahl aus sehr kurzwelligem Licht beschossen. Das hochenergetische Licht regt Elektronen in den Edelgasatomen an – was nichts anderes bedeutet als dass diese Elektronen Energie aufnehmen, die sie dann anschließend in Form eines Attosekundenblitzes wieder abgeben.
Das Foto erlaubt einen Blick in die Experimentierkammer eines Ultrakurzeitexperiments: Links ist eine Blende der optischen Einheit zu sehen, die den Laserstrahl erzeugt, rechts im Vordergrund die Gasdüse, aus der das Edelgas ausströmt. Die Edelgasatome werden vom Laserstrahl getroffen und senden dann die ultrakurzen Lichtblitze aus.
Mehr dazu: Klappe für den Quantenfilm [PDF]