Adventskalender 2020

Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. Sie stellen die von den Zellen benötigte Energie bereit und sind dafür einzigartig aufgebaut: Mitochondrien bestehen aus einer glatten äußeren und einer sehr stark vergrößerten und aufgefalteten inneren Membran. In den lamellenförmigen Einstülpungen der inneren Membran, Cristae genannt, sind die für die Energiebereitstellung notwendigen Enzymsysteme hochstrukturiert angeordnet – quasi wie molekulare Maschinen. Aber wie entstehen die hochgradig geordneten Lamellen? Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie untersuchen die molekularen Mechanismen, die die Struktur und Dynamik der Mitochondrien bestimmen. Da diese Zellorganellen sehr klein sind, nutzen sie dafür besonders hochauflösende Mikroskope. So haben sie entdeckt, wie ein Proteinkomplex die Auffaltung der inneren Membran kontrollieren kann. Die Aufnahme zeigt die zahlreichen Mitochondrien einer Zelle in Magenta; der Proteinkomplex, der die Bildung derCristae steuert, ist blau angefärbt.

STED-Fluoreszenzmikroskopie

Zeit für eine kleine Denkaufgabe: Das heutige Bild zeigt ein räumliches, geometrisches Gebilde, das sogenannte dreidimensionale Resonanz-Arrangement. Jede der bunten Flächen stellt dabei eine Kreisscheibe dar. Diese treffen sich alle im Mittelpunkt der Kugel und verdecken sich teilweise gegenseitig. Zwischen den Kreisscheiben bestehen zahlreiche Kammern, im Bild am deutlichsten zu sehen ist der Raum zwischen der gelben, der lilafarbenen und der orangenen Scheibe. Wie viele Kammern beherbergt die Struktur insgesamt? Dieser Frage widmen sich auch Mathematikerinnen und Mathematiker, beschränken sich aber nicht auf drei Dimensionen. Während im dreidimensionalen Fall Vorstellungsvermögen oder etwas Geschick beim Basteln weiterhelfen, wird es mit jeder weiteren Dimension schwieriger. Eine exakte Formel für die Anzahl der Kammern des Resonanz-Arrangements in beliebiger Dimension ist nicht bekannt, aber Lukas Kühne vom Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften gelang vor kurzem eine neue Abschätzung. Das Resonanz-Arrangement und seine Kammern treten in verschiedenen Kontexten sowohl innerhalb der Mathematik als auch in Anwendungsgebieten wie der Quantenfeldtheorie oder der Spieltheorie auf. Die Lösung für den dreidimensionalen Fall ist übrigens 32 – 16 Kammern über der grünen Äquatorebene und 16 Kammern darunter.

Grafik

Einige Mikroben sind in der Lage, Methan zu produzieren – ein hochwirksames Treibhausgas und ein potenter Biokraftstoff. Diese sogenannten Methanogenen gewinnen ihre Energie über verschiedene chemische Reaktionen, die in sauerstofffreier Umgebung ablaufen. Möglicherweise zählen sie zu den frühesten Lebensformen auf der Erde. Gleichzeitig können wir sie heute für neue Biotechnologien nutzen, etwa um Kohlenstoffdioxid zu binden und Methan zu produzieren. Dieses wird als Energiequelle genutzt – wie zum Beispiel beim Erdgas, das überwiegend aus Methan besteht. Im Fokus der Forscher stehen daher die chemischen Reaktionen, die an der Methanproduktion beteiligt sind. Was hier einem Origami-Schmetterling ähnelt, ist ein kristallisiertes Enzym, das Methan erzeugen kann und in allen Methanogenen vorkommt. Die grün-gelbliche Farbe stammt von einem speziellen nickelhaltigen Molekül. Dieses ist tief im Enzymkern vergraben, hat aber eine immense Bedeutung: Es orchestriert die Bildung des Methans und ist somit der Schlüssel für den gesamten Prozess.

Stereo-Lichtmikroskopie

Kühlschrankmagnet – damit könnte künftig nicht mehr eine Verzierung des Geräts gemeint sein, sondern eine weniger energieintensive Kühltechnik auf Basis des magnetokalorischen Effekts: Manche Materialien nehmen viel Wärme auf, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden und vom unmagnetischen in den ferromagnetischen Zustand wechseln. Sobald das Feld abgeschaltet wird, kühlen sie wieder ab. Meistens lässt sich der Effekt nicht nutzen, weil sich bei der wärmeabsorbierenden Änderung des magnetischen Zustands in der Regel die Atome anders anordnen. Dadurch wird der Kühlzyklus nach einigen Wiederholungen ineffizient. In einer Verbindung des Selten-Erd-Metalls Europium mit dem Metall Indium tritt jedoch ein großer magnetokalorischer Effekt ohne solche Verluste auf. Das Bild ist Teil einer Simulation, die verdeutlicht, wie das möglich ist. Der Effekt lässt sich hier alleine dadurch erklären, dass sich magnetische Wechselwirkungen der Elektronen stark ändern –nicht aber die Atomstruktur. Die goldenen Linien markieren die Grenzen der Zustände, welche die Elektronen, die am Aufbau der magnetischen Ordnung maßgeblich beteiligt sind, einnehmen. Das Verständnis des Effekts hilft bei der Suche nach neuen magnetischen Materialien, die ineffiziente und umweltschädliche Kühlgeräte von heute ersetzen könnten.

Computersimulation 

Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zählt zu den berühmtesten Pflanzen der Welt ˗ dabei sieht sie weder spektakulär aus, noch ist sie von Bedeutung für die Landwirtschaft. In der Pflanzenforschung aber ist das kleine, einjährige Wildkraut der wichtigste Modellorganismus: Es ist anspruchslos, wächst schnell und bildet große Mengen Samen. Vor allem aber ist es bereits gut untersucht, und das Genom ist vollständig bekannt. Forschende am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie haben an der Ackerschmalwand einen Signalweg aufgedeckt, der erklärt, warum manche Pflanzen auch an kurzen, dunklen Tagen blühen. Dabei spielen Mikro-RNAs eine zentrale Rolle – kleine RNA-Schnipsel, die an der Genregulation beteiligt sind. Wenn deren Konzentration in der Pflanze sinkt, löst das die Blütenbildung aus, auch ohne äußeren Einfluss. Dies stellt sicher, dass die Pflanze selbst dann blühen und sich fortpflanzen kann, wenn Temperatur oder Lichtverhältnisse nicht vorteilhaft sind. Der Blick in eine Arabidopsis-Blüte zeigt ein Staubgefäß mit darin enthaltenen, fast reifen Pollenkörnern.

Rasterelektronenmikroskopie

Manche Bakterien verfügen über eine für sie praktische, für den Menschen aber sehr unschöne Fähigkeit: Um Umwelteinflüssen zu trotzen und auch unwirtliche Lebensräume besiedeln zu können, lagern sie sich mit anderen Mikroben zusammen und bilden eine gemeinsame schützende Schleimschicht. So entstehen Biofilme, die extrem widerstandsfähig sind und sich nur schwer beseitigen lassen – ein großes Problem in der Medizin wie auch in der Lebensmittelproduktion. Um Biofilme besser bekämpfen zu können, möchten Forscher verstehen, nach welchen Regeln sie aufgebaut sind. Dazu kultivieren sie E.coli-Bakterien auf nahrhaften Agar-Gelen, wo die Zellen eine faserige Matrix abscheiden. Um das Wachstum des daraus entstehenden Biofilms zu verfolgen, mischen die Forscher zu Beginn fluoreszierende Kügelchen unter die Zellen. Wächst der Biofilm, werden die Kugeln mitgerissen. Für unser „Feuerwerk“ wurde fünf Tage lang stündlich ein Fluoreszenzbild aufgenommen, anschließend wurden alle Bilder überlagert.

Stereomikroskopie

Eine Million Röntgenquellen – das ist der beeindruckende Ertrag der ersten vollständigen Himmelsdurchmusterung mit dem eRosita-Teleskop an Bord der Raumsonde Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG). Das Bild des heißen und energiereichen Alls ist ein völlig anderes als jenes, das sich im Blick von optischen oder Radioobservatorien bietet. Außerhalb unserer Heimatgalaxie sind die meisten Röntgenquellen aktive Zentren weit entfernter Galaxien, in denen supermassereiche schwarze Löcher stecken. Daneben gibt es auch Galaxienhaufen, die als ausgedehnte Röntgenhalos erscheinen und dank des heißen Gases leuchten, das in riesigen Ansammlungen aus dunkler Materie eingeschlossen ist. Um dieses Bild zu erstellen, rotierte das Teleskop kontinuierlich um die eigene Achse, was eine gleichmäßige Belichtung von etwa 150 bis 200 Sekunden über den größten Teil des Himmels lieferte. Das gesamte Firmament wurde auf eine Ellipse projiziert, mit dem Zentrum der Milchstraße in der Mitte und der galaktischen Scheibe in der Horizontalen. Die Farben entsprechen verschiedenen Energien der empfangenen Röntgenphotonen.
Mehr dazu: Der tiefste Blick in den Röntgenhimmel

Satellitenaufnahme

Wie Eisblumen auf einer schlecht isolierten Fensterscheibe zeigen sich hier Kristalle auf dem Objektträger unter dem Mikroskop. Der „kleine“ Unterschied liegt in der Temperatur: Diese schillernden Strukturen entstehen, wenn Hydroxyhydrochinon aus einer 150 Grad heißen Schmelze abkühlt und kristallisiert. Wissenschaftlerinnen des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme untersuchen so die Eignung des Benzol-Derivats als sogenannten Co-Former für einen potentiellen pharmazeutischen Wirkstoff:
BDMC (Bisdemethoxycurcumin), einer der drei Hauptinhaltsstoffe der Kurkuma- oder Gelbwurz-Pflanze, gilt als ein möglicher Wirkstoff zur Vorbeugung von Alzheimer und Krebs-Erkrankungen. Allerdings ist es sehr schlecht wasserlöslich und wird deshalb vom menschlichen Körper nur schlecht aufgenommen. Werden jedoch zwei chemische Substanzen – hier Hydroxyhydrochinon und BDMC – gemeinsam kristallisiert, können sich Co-Kristalle mit neuen physikalisch-chemischen Eigenschaften bilden. Die Wissenschaftlerinnen interessiert, inwiefern Co-Kristallisation die Wasserlöslichkeit und damit die Bioverfügbarkeit von BDMC erhöhen kann.  

Polarisationsmikroskopie

Tintenfische und Kraken können ihr Aussehen blitzschnell ändern. Diese Fähigkeit erlaubt ihnen, sich vor Fressfeinden zu tarnen oder unbemerkt an Beutetiere heranzuschwimmen. Ganz anders bei der Paarung: Hier lassen manche Spezies nahezu psychedelische, dynamische Farbwellen über ihre Körper wandern. Für die dazu notwendigen, sehr schnellen Farbwechsel sorgen Millionen winziger elastischer Pigmentzellen in der Haut, die jeweils von radialen Muskelzellen umgeben sind. Ziehen sich die Muskeln zusammen, weitet sich die Pigmentzelle und lässt ihren Farbstoff sichtbar werden. Entspannen sie sich, verkleinert sich die Zelle, und die Färbung verschwindet. Die Muskeln werden direkt von Nervenzellen im Gehirn gesteuert. Forscher wollen herausfinden, wie die Tiere optische Signale interpretieren, um zu entscheiden, wie und welche Farbmuster sie als Reaktion darauf erzeugen. An einem frischgeschlüpften Zwergtintenfisch Euprymna berryi haben sie dazu mithilfe von Fluoreszenz-Antikörpern ein dichtes Netz von peripheren Nervenzellen sichtbar gemacht. Die Farbpalette spiegelt unterschiedliche Tiefen der Nerven im Gewebe wieder.

Konfokale Mikroskopie

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik wollen nichts Geringeres als die Sonne nachahmen. In Garching und Greifswald erarbeiten sie die Grundlagen für ein Fusionskraftwerk. Als Brennstoff dient ein ultradünnes Wasserstoffplasma, das durch ein Magnetfeld in der Schwebe gehalten wird. Trotzdem prallen im Betrieb ständig energiereiche Plasmateilchen auf die innere Wand des Plasmagefäßes. Und obwohl diese aus extrem widerstandsfähigem Wolfram besteht, erodiert dort das Material. Mit einer neuen Methode könnte man feststellen, aus welcher Richtung die schnellen Ionen auf die Wand treffen und so Rückschlüsse auf die Prozesse am Plasmarand ziehen: Eine polierte Wolfram-Probe wird dem Plasma ausgesetzt. Anschließend werden per Rasterelektronenmikroskop die Ausrichtungen der rund 10 Mikrometer kleinen Wolfram-Kristallkörner ausgemessen. Das Bild zeigt einen Proben-Ausschnitt, die Ausrichtung jedes Korns ist farbig kodiert. Zusätzlich wird mit einem Lasermikroskop die Erosionstiefe der einzelnen Körner bestimmt. Sie ändert sich je nach Winkel zwischen der Kristallorientierung und der Flugbahn der Ionen. So kann der Aufprall-Winkel der Ionen ermitteln werden.

Rasterelektronenmikroskopie, farbkodiert

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Biogeochemie in Jena und für Chemie in Mainz erforschen am Amazon Tall Tower Observatory, kurz ATTO, mitten im brasilianischen Regenwald den CO₂-Kreislauf im größten zusammenhängenden Waldgebiet der Erde. Dabei geht der Forscherblick nicht nur nach oben: Moose bedecken große Teile der Bäume und Sträucher im Amazonas-Regenwald. Sie sind nur dann stoffwechselaktiv, wenn es feucht genug ist, denn sie können ihren Wassergehalt nicht selbst regulieren. Lange Trockenperioden überleben sie in einem ausgetrockneten, inaktiven Zustand. Wie die Forschenden nun herausgefunden haben, reagieren Moose nahe des Waldbodens zuverlässig auf Regen. Für solche innerhalb des Kronendachs scheinen dagegen Luftfeuchtigkeit und Tau die wichtigeren Wasserquellen zu sein. Ist es feucht genug, um den Trockenschlaf zu beenden, bestimmt die Lichtmenge, wie produktiv die Fotosynthese abläuft. Und damit auch, ob die Moose mehr Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre aufnehmen als sie durch Atmung abgeben.
Mehr dazu: Willkommen im Amazonas

Fotografie

Erst wenn Atome zur Ruhe kommen, können sie als Taktgeber der genauesten Uhren der Welt dienen. In Atomuhren werden sie zu diesem Zweck auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C) gekühlt. In der abgebildeten kryogenen Paul-Falle kann ein hochgeladenes Ion – also ein Atom, bei dem man fast alle Elektronen entfernt hat – über lange Zeit gespeichert und mittels Laserspektroskopie detailliert untersucht werden. Herzstück der Falle ist ein schwebender Ionenkristall. Dieses geordnete Ensemble aus wenigen lasergekühlten Ionen kühlt das „gefangene“ hochgeladene Ion stark ab. Durch ein weiteres spezielles Laserverfahren erreicht es so bei einigen Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt seinen quantenmechanischen Grundzustand. Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die Entwicklung einer Uhr, deren Taktgeber ein solches tiefgekühltes hochgeladenes Ion ist. Denn dieses ist wesentlich unempfindlicher gegen externe Störungen als die bisher dazu eingesetzten Systeme. Mithilfe einer solchen noch genaueren Uhr sind Experimente zur Überprüfung der zeitlichen Stabilität der Naturkonstanten denkbar.
Mehr dazu: Das Potential hochgeladener Ionen

Fotografie

Wie ein junger Hund, der vor Freude außer sich ist, springt der vierbeinige Roboter Solo 8 auf und ab. Der leichte und drehmomentgesteuerte Roboter des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme ist für hoch-dynamische Bewegungsabläufe gebaut. Er kann zum Beispiel hüfthoch springen oder umkippen und gleich wieder auf die Beine kommen. Entwickelt wurde der neue Forschungsroboter als Open-Source-Projekt. Das Ziel der beteiligten Forscherinnen und Forscher ist es, eine leicht zugängliche und erschwingliche Plattform für Forschung und Lehre im Bereich der Fortbewegung von Robotern zu schaffen. Solo 8 ist günstig und einfach nachzubauen. Die meisten Teile, aus denen der Roboter besteht, kommen aus dem 3D-Drucker; die wenigen verbleibenden Bauteile kann man zukaufen. Die Anleitung für die Konstruktion und die Roboter-Software sind frei zugänglich und so hoffen die Entwickler, dass andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Ideen aufgreifen und darauf aufbauen.
Mehr dazu: Neuer Roboter für die weltweite Forschung

Fotografie

Ob Mensch, Maus oder Elefant – die frühe Embryonalentwicklung verläuft bei allen höheren Säugetieren ganz ähnlich: Aus einer befruchteten Eizelle entsteht durch wiederholte Zellteilungen innerhalb weniger Tage eine flüssigkeitsgefüllte Hohlkugel, die Blastozyste. Im Innern dieser Kugel findet sich eine Ansammlung von Stammzellen, aus denen der Fetus heranwächst. Die äußere Schicht der Blastozyste bildet später die Plazenta, die den Fetus ernährt und mit Sauerstoff versorgt. Forschende am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin haben nun eine raffinierte Methode entwickelt, um in dieser äußeren Blastozystenschicht gezielt einzelne Gene zu manipulieren. Die genetischen Veränderungen finden sich später ausschließlich in der Plazenta, nicht aber im Fetus. Die Technik könnte etwa helfen, Plazenta-Anomalien zu erforschen, die zu Fehlgeburten führen können. Das Bild zeigt die Blastozyste einer Maus, bei der die Zellen der äußeren Schicht durch Fluoreszenzfarbstoffe sichtbar werden. Die Zellkerne leuchten in Magenta und Blau, wichtige Zellverbindungsproteine in Türkis.

Fluoreszenzmikroskopie

Im Herzen der Milchstraße steckt ein gewaltiges schwarzes Loch. Rund 26.000 Lichtjahre von der Sonne entfernt, bietet die Umgebung dieses Sagittarius A* genannten Objekts ein einzigartiges Labor, um die physikalischen Gesetze in extrem starken Gravitationsfeldern zu untersuchen. Eine Gruppe um Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik erforscht das galaktische Zentrum seit vielen Jahren. Das Augenmerk der Astronomen richtet sich unter anderem auf einen Stern namens S2, der das superschwere Massemonster einmal in 16 Jahren umläuft und sich ihm dabei bis zu einer Entfernung von weniger als 20 Milliarden Kilometern nähert. Die präzise Bahnvermessung von S2 enthüllte ein Phänomen, das Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie beschreibt: Danach bleibt die elliptische Sternenbahn nicht ortsfest im Raum, sondern schreitet gleichsam voran. Auf diese Weise ergeben mehrere Umläufe von S2 die Form einer Rosette, wie sie das Bild veranschaulicht. Die Entdeckung wurde im Frühjahr dieses Jahres veröffentlicht. Wenige Monate später erhielt Reinhard Genzel für seine Beobachtungen am schwarzen Loch der Milchstraße zusammen mit Andrea Ghez und Roger Penrose den Nobelpreis für Physik.
Mehr dazu: Tanz ums Herz der Milchstraße 

Wissenschaftliche Visualisierung

Die Schneelandschaft auf dem Foto ist nicht von dieser Welt. Vielmehr zeigt die Aufnahme den Occator-Krater auf Ceres. Der Zwergplanet war einst Schauplatz von aktivem Eisvulkanismus: Salzhaltige Lösung stieg aus dem Innern auf, das Wasser verdunstete und hinterließ diese hellen Ablagerungen. Mit einem Durchmesser von etwa 950 Kilometern ist Ceres der größte Körper im Asteroidengürtel, der sich zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter erstreckt. Von 2015 bis 2018 erkundete die unbemannte NASA-Raumsonde Dawn den ungewöhnlichen Körper aus der Nähe. Eine wichtige Rolle spielte dabei das wissenschaftliche Kamerasystem an Bord, das vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen stammt. Immer wieder gibt es neue Erkenntnisse: Als einer der spannendsten Regionen entpuppte sich der riesige Occator-Krater, der etwa 92 Kilometer im Durchmesser misst. In seinem Zentrum findet sich diese etwa 340 Meter hohe, von Salzablagerungen überzogene Kuppe. Bilder wie dieses helfen dabei, die genaue Geologie und somit die Entwicklungsgeschichte des Kraters zu entschlüsseln.
Mehr dazu: Eisvulkane auf Ceres

3D-Rekonstruktion

Wäre es nicht praktisch, wenn Säugetiere in Eiern heranwüchsen? Eine Geburt wäre dann deutlich einfacher. Doch auch für die Forschung hätte das Vorteile: Wie bei Fischen, Lurchen oder Vögeln könnte man dann der Entwicklung von der Befruchtung bis zum fertigen Tier zusehen. Doch bei Säugertieren ist damit Schluss, sobald sich der Embryo in die Gebärmutter eingenistet hat. Nun ist er vor aller Augen verborgen. Dabei wird es jetzt erst richtig spannend: Die Organe werden angelegt, der Embryo verändert seine Form tiefgreifend. Millimetergroße Kringel wie auf dem Bild könnten Abhilfe schaffen: Werden Klümpchen von Mäuse-Stammzellen in einem speziellen, stützenden Gel kultiviert, wachsen Strukturen heran, die zumindest einem Teil des Embryos ähneln. Aus kugeligen Zellhaufen entstehen innerhalb von fünf Tagen Gebilde mit Anlagen für Nerven-, Knochen-, Knorpel- und Muskelgewebe. In der angewandten Forschung ließen sich damit künftig etwa pharmakologische Wirkstoffe effektiv untersuchen – und das in einer Breite, die in lebenden Organismen gar nicht möglich wäre. Und die Grundlagenforschung enträtselt so womöglich das Mysterium, wie ein Säugetierembryo seine Gestalt annimmt.
Mehr dazu: Embryonalentwicklung in der Petrischale

Fluoreszenzmikroskopie

Mit mehreren Millionen Bar kann diese Diamantstempelzelle mächtig Druck ausüben. Zum Vergleich: Am tiefsten Punkt der Erde im Marianengraben, etwa elf Kilometer unter Wasser, beträgt der Druck gerade mal rund 1.000 Bar. Kernstück der Stempelzelle sind zwei konisch geschliffene synthetische Diamanten, zwischen deren Spitzen sich die Materialprobe befindet. Mikhail Eremets und sein Team vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz untersuchen damit, wie sich bestimmte chemische Verbindungen wie zum Beispiel Lanthanhydrid unter Extrembedingungen verändern. Insbesondere interessieren sie sich für die elektrische Leitfähigkeit der eingelegten Materialprobe. Ist der Druck hoch – und die Temperatur niedrig – genug, verlieren einige Stoffe ihren elektrischen Widerstand: Sie werden zu Supraleitern, sind also in der Lage, Strom nahezu verlustfrei zu transportieren. So hofft man, eines Tages enorme Mengen Strom einsparen zu können. Doch bis dahin liegt noch ein Stück Arbeit vor den Forschenden: Denn erst wenn Materialien auch bei Raumtemperatur und unter Normaldruck zu Supraleitern werden, ist eine industrielle Nutzung denkbar.
Mehr dazu: Ein Sprung zur Supraleitung

Glasfasern verbinden wir meist mit schnellem Internet. Doch je nach Struktur und Material können Glasfasern das Licht nicht nur leiten, sondern auch beeinflussen und verändern. Dies nutzen Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts, um Licht mit besonderen Eigenschaften zu erzeugen. In Hohlkernfasern können sie beispielsweise aus infraroten Laserpulsen weißes Licht erzeugen, das sich spektral vom ultravioletten bis in den infraroten Bereich erstreckt. Dieses weiße Licht weist weiterhin wesentliche Eigenschaften von Laserlicht auf und wird als Superkontinuum bezeichnet. Zum Einsatz kommt es unter anderem in der Medizintechnik. Dazu stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zunächst eine geeignete Faser her: Zuerst ordnen sie händisch einzelne Quarzglasstäbe und -kapillaren in der gewünschten Form an. Die hier abgebildete Vorstufe der Glasfaser wird dann bei Temperaturen von bis zu 2000°C in mehreren Schritten zur fertigen, nur 150 Mikrometer dünnen Faser gezogen. Der Durchmesser wird dabei 200-mal kleiner, aber die komplexe Struktur bleibt erhalten und die besonderen Lichtleiteigenschaften entstehen. 

Fotografie

Die Bedeutung des ländlichen Raums für den gelebten Alltag wird in Studien zur Globalisierung oft vernachlässigt. Dem möchte die Forschungsgruppe „Alpine Geschichten des globalen Wandels“ am Max-Planck-Institut für ethnologische Forschung entgegenwirken. Das Team untersucht Fragen der Zugehörigkeit, Ortsverbundenheit und Entfremdung in Berggemeinden im deutschsprachigen Alpenraum. Wie hier in Millstätt in Kärnten/Österreich, einer Marktgemeinde mit knapp 3500 Einwohnern. Eigentlich wollten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen das soziale Zusammenleben im Ort filmisch festhalten und analysieren, doch bereits zum zweiten Mal in diesem Jahr wurden alle Pläne durch den Corona-Lockdown zunichtegemacht. So begibt sich der Sozialanthropologe Paul Reade nun auf Streifzüge durch die menschenleere Umgebung, um Eindrücke dieser bewegten Zeit einzufangen. Dabei trifft er immer wieder auch auf Leute, die aus ihrem Alltag mit Corona erzählen – ein langsames, behutsames Herantasten an soziale Dynamiken und Stimmungen. Dieses Foto entstand auf einem seiner Streifzüge in einem Wald, der von den Einheimischen bezeichnenderweise „Märchenwald“ genannt wird.
Fotografie

Ein Kindergarten in Bamako, der Hauptstadt von Mali, im Dienste der Wissenschaft: Rainer Polak und Nori Jacoby vom Max-Planck-Institut für empirische Ästhetik haben den Raum angemietet, um traditionellen Tanz und Musik in Westafrika zu erforschen. Dazu haben sie mehrere Gruppen von lokalen Profikünstlerinnen und -künstlern engagiert. Beteiligt sind ein Trommelensemble mit drei Musikern, zwei Sängerinnen und mehrere Tänzerinnen. Bei der Live-Session werden alle Aspekte der Darbietung multimedial erfasst. Eine der Tänzerinnen trägt dazu einen Motion-Capture-Anzug, in den 17 sogenannte inertialbasierte Sensoren eingearbeitet sind. Sie erfassen Beschleunigungs- Rotations- und Magnetfeldwerte. So können alle Bewegungen genauestens dokumentiert werden. Die Frankfurter Wissenschaftler erheben regelmäßig Daten in Feldforschungssituationen in Mali und Bolivien sowie zum Vergleich auch in Deutschland, Bulgarien, den USA, Großbritannien und Uruguay. Ziel des Projekts ist der empirisch fundierte Vergleich der Wahrnehmung und Darbietung von musikalischem Rhythmus in verschiedenen Kulturen.

Fotografie 

Bewegungen und ihre Richtung zu erkennen ist lebenswichtig: Nur so kann zum Beispiel ein herannahender Feind rechtzeitig erkannt werden, um die eigenen Bewegungen entsprechend anzupassen. Wie eine Nervenzelle Bewegung detektiert, untersuchen Max-Planck-Forscher an Fruchtfliegen. Deren Augen sind zwar ganz anders aufgebaut als die von Säugetieren, dennoch zeigt die visuelle Verarbeitung bei Insekten und Säugern erstaunliche Parallelen. An den Fliegen haben die Neurobiologen entdeckt, dass bestimmte Zellen, die die Bewegungsinformationen verarbeiten, in jeweils vier Untergruppen vorkommen. Jede Gruppe reagiert dabei nur auf Bewegungen in eine Richtung: nach rechts, links, aufwärts oder abwärts. Die Nervenzellen dieser richtungsselektiven Gruppen geben ihre Informationen an voneinander getrennte Schichten des nachfolgenden Nervengewebes weiter. Von dort aus fließen sie etwa ein, wenn an die Flugmuskulatur Anweisungen zur Kurskorrektur weitergeleitet werden. Das Bild zeigt das visuelle System eines sich entwickelnden Fliegengehirns. Die richtungssensitiven Zellen leuchten in Grün. In Blau und Rot sind die sich organisierenden weiterverarbeitenden Schichten zu erkennen.

Fluoreszenzmikroskopie 

Ungleiche Geschwister gibt es auch im Weltall. Ein besonders seltsames Paar ging den Detektoren LIGO und Virgo ins Netz. Die beiden Observatorien suchen den Himmel nach Gravitationswellen ab – jenen Kräuselungen der Raumzeit, die Albert Einstein vor einem Jahrhundert vorhergesagt hatte. Die Wellen stammen von kosmischen Kollision und entstehen, wenn sich etwa schwarze Löcher in einem wilden Tanz einander annähern und schließlich miteinander verschmelzen. In der Regel besitzen die beiden schwarzen Löcher recht ähnliche Massen. Doch die Botschaft mit der Bezeichnung GW190814 gibt Rätsel auf: Nie zuvor haben die Forschenden eine Gravitationswelle von einem System gemessen, in dem sich die Einzelmassen so unterschiedlich verteilen. Nach den Modellen, aus denen diese Visualisierung entstanden ist, sind ein normales schwarzes Loch mit 23 Sonnenmassen und ein Objekt von lediglich 2,6-facher Sonnenmasse zusammengeprallt. Was aber steckt hinter diesem geheimnisvollen Begleiter? Das leichteste bisher bekannte schwarze Loch oder der schwerste in einem Doppelsystem gefundene Neutronenstern?
Mehr dazu: Ein schwarzes Loch und sein rätselhafter Begleiter

Wissenschaftliche Visualisierung einer numerischen Simulation

An Bakterien der Art Pseudomonas fluorescens lässt sich ein spannender Kreislauf beobachten: Werden die Zellen in einer Nährlösung kultiviert, steigen sie an die Oberfläche, denn sie benötigen Sauerstoff, um zu wachsen. Ist Sauerstoff vorhanden, ändert sich die genetische Konstellation dahingehend, dass die Zellen Zellulose produzieren. Diese wirkt wie ein Klebstoff, der die Bakterien aneinanderheftet. So entsteht eine „Matte“, die dicker und dicker wird, während die Bakterienpopulation weiter wächst. Doch irgendwann wird die Matte so schwer, dass sie in sich zusammenfällt und auseinanderbricht. Die Bakterien sinken hinab, und die Zelluloseproduktion stoppt. Ihr Hunger nach Sauerstoff treibt sie jedoch wieder nach oben, und der Kreislauf beginnt von neuem. Der Blick auf eine Petrischale zeigt das Endstadium der Zellulosematte kurz bevor sie kollabiert. Forschende am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie wollen herausfinden, welche Signale aus der Umgebung die Zelluloseproduktion ankurbeln und welche Strategien die Zellen entwickeln, um aus der Gemeinschaft auszubrechen und so neue und effektivere Wege des Überlebens zu wählen.
Fluoreszensmikroskopie