Adventskalender 2016

24.12.2016

Ab 1. Dezember ist es wieder soweit: Wir öffnen für Sie jeden Tag bis Weihnachten ein Türchen mit Bildern aus der Wissenschaft. Viel Spaß beim Stöbern und Staunen!

Mit einer Entfernung von 4,24 Lichtjahren ist Proxima Centauri der nächste Stern außerhalb unseres Sonnensystems. Ein Planet mit etwa 1,3 Erdmassen umkreist ihn einmal alle 11,2 Tage in einem Abstand von sieben Millionen Kilometern – innerhalb eines Bereichs, in dem es möglicherweise die richtigen Bedingungen für die Entstehung von Leben gibt. Der Mutterstern war aufgrund ständiger heftiger Ausbrüche auf seiner Oberfläche und der dadurch ausgelösten Helligkeitsschwankungen schon vor Jahren ins Visier der Forscher geraten. Die haben Proxima Centauri jetzt während 54 Nächten mit dem 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) untersucht und dabei den Planeten entdeckt.
© Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg / Ricardo Ramirez und Universidad de Chile / James Jenkins

Beinhart und extrem flexibel

bild_01

Konfokale Lasermikroskopie

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam / Andreas Roschger
in Zusammenarbeit mit dem Ludwig-Bolzmann-Institut für Osteologie, Wien

Knochen sind nicht einfach nur ein statisches Stützgerüst, sondern ein lebendiges Organ. Sie können sich an mechanische Belastungen anpassen, nach Verletzungen heilen und sind ein wichtiger Teil des menschlichen Hormonsystems. Alles dies erfordert ein enges Zusammenspiel zwischen hartem, mineralisiertem Gewebe und einem hoch spezialisierten Zellnetzwerk. Das Bild zeigt die komplexen Strukturen im Oberschenkelknochen eines Erwachsenen: Winzige, rund 0,1 Millimeter dicke Hohlräume, in denen Blutgefäße verlaufen, sind konzentrisch von mineralisierten Fasern unterschiedlicher Orientierung (weiß) umgeben. Hohlräume im Gewebe beherbergen Knochenzellen, Osteozyten, die über unzählige feinste Kanäle (rot) miteinander verbunden sind. Mechanische Belastung führt zu Flüssigkeitsströmen durch die Kanäle, welche von den Zellen registriert und in biochemische Signale umgewandelt werden. Diese Botenstoffe werden über das Netzwerk zu den Blutgefäßen transportiert und im gesamten Organismus verteilt.

Ein Winterwald aus Pflanzenhaaren

bild_02

Stereo-Zoom-Mikroskopie

Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena / Jima Chandran, Veit Grabe

Winzige Pflanzenhärchen bedecken dicht an dicht die Blütenoberfläche der Grünen Kängurupfote, die an sonnig-feuchten Standorten in Westaustralien wächst. Die schillernden Farben locken Honigfresser an – Singvögel, die mit langen, gebogenen Schnäbeln den Nektar absaugen und dabei die Pollen der Pflanze übertragen. Die Farbigkeit der Härchen beruht auf den in ihnen enthaltenen Pigmenten, sogenannten Phenylphenalenonen. Diese Gruppe von pflanzlichen Naturstoffen spielt auch in der Abwehr von Schädlingen eine große Rolle, zum Beispiel bei Bananenpflanzen.
Bananen sind in vielen Ländern Grundnahrungsmittel und wichtiges Exportprodukt. Doch gerade die ertragreichen Sorten sind gegen Schädlinge, vor allem Pilze und Fadenwürmer, sehr empfindlich. Varietäten, die hohe Konzentrationen von Phenylphenalenonen produzieren, sind dagegen deutlich resistenter. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie untersuchen die ökologische Rolle dieser Pflanzenstoffe – sei es bei Bananen oder eben auch bei Kängurupfoten.

Spieglein, Spieglein ...

bild_03

Fotografie

Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching / Peter Friedrich

Kraftwerksturbinen? Raketentriebwerke? Mega-Klimaanlage? Nein, der Blick fällt hier auf die sieben komplexen Spiegelmodule von eROSITA (extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array). Das hochmoderne Teleskop wird von 2018 an den gesamten Himmel im Röntgenlicht präziser kartieren als je zuvor. Mehr noch: Die russisch-deutsche Mission soll das verborgene Universum ausspähen und die Anteile der Dunklen Materie und der Dunklen Energie exakt bestimmen. Dazu operiert die Sternwarte von einem Standort 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt und vermisst etwa 100.000 Galaxienhaufen. Damit eROSITA die hochenergetische Röntgenstrahlung auffangen kann, versahen die Wissenschaftler jedes der Spiegelmodule mit 54 goldbeschichteten Schalen aus Nickel. Die Oberflächenrauigkeit beträgt weniger als ein Millionstel Millimeter. Das Hightech-Instrument wird in den kommenden Wochen nach Moskau gebracht und auf eine russische Satellitenplattform montiert. Der Start vom Weltraumbahnhof Baikonur ist für Anfang 2018 vorgesehen. Mehr dazu: Spiegel für eROSITA

Leuchtreklame für Buddhas Tempel

bild_04

Fotografie

Max-Planck-Institut für ethnologische Forschung, Halle / Beata Switek

Zweimal im Jahr veranstaltet der Kanchi'in, ein buddhistischer Tempel in Tokio, das 24-stündige Event „Fudan Nenbutsu“ – fortwährende Anrufung. Im Mittelpunkt stehen buddhistische Gesänge, die per Live-Stream im Internet übertragen werden. Nachts leuchten vor dem Tempel Votivlaternen aus Papier, auf denen die Teilnehmer ihre Wünsche notiert haben. Am Ende der Veranstaltung liest der Abt die Texte vor. Das Event soll Menschen ermuntern, einmal an einer religiösen Zeremonie teilzunehmen. Denn ähnlich wie bei den Kirchen in europäischen Städten kommen auch in Japan immer weniger Menschen in die Tempel. Für Ethnologen ist es eine interessante Frage, mit welchen Strategien buddhistische Institutionen in Tokio versuchen, sich zu verjüngen und attraktiver zu werden. Gerade in der japanischen Hauptstadt, die zu den weltweit größten und teuersten Ballungsräumen zählt, ist der Druck hoch, religiöse Gebäude auch tatsächlich zu nutzen.

Der Widerborst

bild_05

Rasterelektronenmikroskopie, koloriert

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

Dieses Minimonster ist die zwei Wochen alte Larve des marinen Borstenwurms Platynereis dumerilii. Sie ist nur etwa einen halben Millimeter groß und lebt auf dem Grund küstennaher Meeresbereiche. Die ausladenden Borsten dienen dem Schutz vor Feinden und der Fortbewegung am Boden. Bei Genetikern und Neurowissenschaftlern ist Platynereis ein beliebter Modellorganismus. Er lässt sich leicht im Aquarium halten und begnügt sich mit einer Kost aus Spinat und trockenem Fischfutter. Ein künstlicher Mondzyklus bringt die Tiere dazu, sich zu vermehren. Mithilfe gentechnischer Methoden lassen sich so Würmer mit bestimmten Eigenschaften züchten. An ihnen untersuchen Forscher etwa, welche neuronalen Mechanismen die Migrationsbewegung des Planktons steuern. Dazu kombinieren sie Genetik, Neurobiologie, Verhaltensstudien und bildgebende Verfahren. Die Studien liefern Einblicke, wie das Nervensystem bei marinen Organismen funktioniert und erweitern unser Verständnis von tierischem Verhalten im Allgemeinen.

Kosmischer Tanz

6.12

Wissenschaftliche Visualisierung einer numerisch-relativistischen Simulation

Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik,
Potsdam), Simulating eXtreme Spacetimes Project / Visualisierung: W. Benger
(Airborne Hydro Mapping GmbH)

Albert Einstein hat sie in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie bereits vor mehr als einem Jahrhundert postuliert, direkt gemessen wurden Gravitationswellen erstmals am 14. September 2015. Die winzigen Verzerrungen der Raumzeit entstehen im Universum praktisch dauernd, doch „hören“ können sie selbst die empfindlichsten Detektoren nur, wenn sehr große Massen sehr schnell beschleunigt werden – wie etwa bei der Kollision von zwei schwarzen Löchern. Genau diese haben Astronomen im September 2015 beobachtet. Die Darstellung zeigt die Quelle der Wellen als dunkle Pünktchen: Die beiden schwarzen Löcher mit 29 bzw. 36 Sonnenmassen umtanzen einander und werden in wenigen Augenblicken miteinander verschmelzen. Das auf der Erde registrierte Signal trägt Informationen über das unsichtbare Weltall und das Wesen der Schwerkraft in sich. So eröffnet die Gravitationswellen-Astronomie ein neues Fenster zum Kosmos.

Mehr dazu: Gravitationswellen entdeckt

Hoch über den Wolken

bild_07

Fotografie

Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg

High Altitude, Long Range (zu Deutsch: große Höhe, große Reichweite) – seine beiden wichtigsten Eigenschaften trägt das Forschungsflugzeug HALO bereits im Namen. Bei einer maximalen Flughöhe von mehr als 15.000 Metern und einer Reichweite von über 10.000 Kilometern kann es bis zu zehn Stunden in der Luft bleiben. Dadurch werden alle Regionen der Erdatmosphäre für die Forschung zugänglich – von den Polen bis zu den Tropen und sogar die besonders abgelegenen Regionen über den Ozeanen. Der Gulfstream-Jet ist mit zahlreichen Lufteinlässen für Messinstrumente und speziellen optischen Fenstern für Fernerkundungsmessgeräte ausgestattet. Unter dem Rumpf und unter den Tragflächen können zusätzliche wissenschaftliche Instrumente angebracht werden. Max-Planck-Forscher untersuchen mit HALO unter anderem die Entstehung der ausgedehnten Wolkensysteme in den Tropen und den Einfluss des Monsun auf die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre.

Mehr dazu: Die Vermessung des Himmels

Verbindungen mit Gedächtnis

bild_08

Fluoreszenzmikroskopie

Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried / Tobias Rose

Wie wir unsere Umwelt wahrnehmen, beruht auf Berechnungen unseres Gehirns. Das "erfahrene" Gehirn des Erwachsenen weiß bereits, was zu erwarten ist und verarbeitet Umweltreize daher weitgehend stabil. Trotzdem kann es sich auf Veränderungen einstellen, ohne Erlerntes zu vergessen. Um herauszufinden, wie dies funktioniert, haben Forscher einzelne Nervenzellen in der visuellen Großhirnrinde der Maus beobachtet. Dabei wurde ein Auge des Tieres zeitweise abgedeckt. Wie von den Wissenschaftlern erwartet kompensieren viele der Zellen diese Störung, indem sie Signale des anderen, offenen Auges verarbeiten. Sobald sie jedoch wieder Informationen von „ihrem“ Auge bekommen, kehren sie in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Entscheidend ist dabei die Fähigkeit der einzelnen Zelle, nicht des Zellverbands. Die Einzelbilder einer Reihe zeigen jeweils eine einzige Nervenzelle, jedes Teilbild eines Farbbocks entspricht einer Untersuchung. Die Aktivität der Nervenzellen wurde dabei mithilfe von Farbstoffen sichtbar gemacht.
Mehr dazu: Stabile Wahrnehmung

Mini-U-Boot auf großer Fahrt

bild_09

Visualisierung

Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart / Alejandro Posada

Winzige Roboter, die durch den Körper schwimmen, Krankheiten aufspüren oder Medikamente zu ihrem Zielort bringen – was wie Science Fiction klingt, wäre ein Meilenstein für die Medizin. Wissenschaftler experimentieren daher mit Miniaturvehikeln, die sich gezielt durch Flüssigkeiten steuern lassen und eines Tages vielleicht durch unsere Blutbahn manövrieren könnten. Dabei lassen sie sich gerne von der Natur inspirieren – vom Wimperntierchen etwa, das sich mit einer exakt abgestimmten Bewegung tausender dünner Filamente durchs Wasser schiebt. Das Bild zeigt einen Mikroschwimmer, der sich mit Licht antreiben lässt. Der knapp einen Millimeter lange Schwimmkörper besteht aus einem Flüssigkristall-Elastomer, das sich bei Beleuchtung ausdehnt. Bewegen die Forscher grüne Lichtstreifen über die Oberfläche, erzeugt dies wellenförmige Auswölbungen, ähnlich der Peristaltik eines Regenwurms. Sie treiben das Gefährt mit rund 7,5 Millimetern pro Stunde in entgegengesetzter Richtung voran.

Mehr dazu: Mikroboote kommen in Fahrt

Beichten für Anfänger

bild_10

Fotografie

Max-Planck-Institut für europäische Rechtsgeschichte, Frankfurt / Otto Danwerth

Wer zur Beichte geht, sollte sein Gewissen erforschen. Seit Jahrhunderten unterstützen sogenannte Beichtspiegel die Gläubigen dabei. In den von Spaniern eroberten Gebieten Mittel- und Südamerikas hatten die Beichthandbücher im 16. Jahrhundert weiterreichende Zwecke: Sie trugen dazu bei, die christlichen Regeln in die Kultur und den Alltag der indigenen Bevölkerung einzubetten – die Menschen sollten die neuen Normen schnell und dauerhaft verinnerlichen. Ein aufschlussreiches Beispiel ist der zweisprachige Beichtspiegel des Franziskanerpaters Alonso de Molina, der bereits als Kind nach Mexiko emigriert war und die Aztekensprache Náhuatl fließend beherrschte. Für die Forscher am Max-Planck-Institut für europäische Rechtsgeschichte sind solche Bücher wichtige Zeugnisse: Die Rechtshistoriker gehen der Frage nach, wie es den Spaniern gelang, ihr Rechtssystem in den eroberten Gebieten in kurzer Zeit durchzusetzen – trotz großer Entfernungen und wenig Personal.

Mehr dazu: Herrschen mit pragmatischer Literatur

Entfesseltes Netz

bild_11

Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung, Bad Nauheim / Michael Potente

Blutgefäße sind die Lebensadern des Körpers. Während der Entwicklung stellt ihr Wachstum sicher, dass die Organe rechtzeitig mit Nährstoffen versorgt werden. Bei Erwachsenen ist die Neubildung von Gefäßen wichtig für Reparatur- und Regenerationsprozesse. Forscher haben nun einen molekularen Schalter entdeckt, der dieses Wachstum steuert: den Transkriptionsfaktor FOXO1. Er ist in den Endothelzellen aktiv, welche die Blutgefäße innen auskleiden und reguliert deren Stoffwechsel- und Zellteilungsaktivität. So können die Zellen auf wechselnde Anforderungen wie Sauerstoff- oder Nährstoffmangel in den Organen schnell reagieren und bei Bedarf neue Gefäße formen. Fehlt FOXO1, kommt es zu überschießendem Gefäßwachstum – wie es zum Beispiel für bösartige Tumore typisch ist. Die Entdeckung bietet daher einen möglichen Ansatz für neue Therapien. Das Bild zeigt das dichte Adergeflecht in der Netzhaut einer Maus, bei der FOXO1 genetisch ausgeschaltet wurde. Verschiedene fluoreszierende Marker machen die Blutgefäße sichtbar.
Mehr dazu: Schalter des Blutgefäßwachstums

Wolkig mit guten Aussichten

12.12

Falschfarbenbild

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching / Michael Griener

Die Kernfusion, genauer das Verschmelzen von Wasserstoffkernen zu Helium, könnte eine saubere und günstige Energiequelle der Zukunft sein – ganz nach dem Vorbild der Sonne. Bereits heute wird die Technik erforscht, zum Beispiel in Garching bei München. Mit der Forschungsanlage ASDEX Upgrade werden dort die physikalischen Grundlagen für ein Fusionskraftwerk erarbeitet. Dazu gehört auch, die Turbulenzen im Brennstoff, einem sehr heißen Wasserstoffplasma, zu verstehen. Denn je mehr Turbulenzen, desto schneller kühlt das Plasma ab und desto weniger rentabel wäre ein Kraftwerk. Eine neu entwickelte Messapparatur schießt durch ein Kapillarröhrchen Helium-Gas direkt in das heiße Plasma. Durch Zusammenstöße mit den umherflitzenden Plasmateilchen wird das Helium zum Leuchten angeregt. Je nach Dichte und Temperatur der Plasma-Elektronen verschiebt sich dabei die Intensität der Spektrallinien und die Heliumwolke (hier gelb) ändert ihre Farbe. Mithilfe eines Spektrometers können also wichtige Informationen über das Plasma gewonnen werden.

Kaleidoskopische Vielfalt

bild_13

Polarisationsmikroskopie

Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, Magdeburg
Stefanie Leuchtenberg

Der Blick durch das Mikroskop ruft die Erinnerung wach an ein Kaleidoskop aus Kindertagen. Doch statt bunter Glassteinchen leuchten hier Naproxen-Kristalle in schillernden Interferenzfarben. Der schmerzstillende und fiebersenkende Wirkstoff, der auch gegen Entzündungen eingesetzt wird, kommt in zwei spiegelbildlichen Molekülformen vor, die als (R)- und (S)-Naproxen bezeichnet werden. Als Arzneimittel dient ausschließlich reines (S)-Naproxen, denn im Vergleich zum 1:1-Gemisch beider Formen ist es 28-mal wirksamer.

Um die industrielle Herstellung einer Substanz zu optimieren, nutzen Forscher deren physikalisch-chemischen Eigenschaften. Dazu gehören der Schmelzpunkt und auch das Verhalten beim Aufschmelzen und Wiedererstarren – hier beobachtet für reines (S)-Naproxen (links), das 1:1-Gemisch (rechts) und die zwischen beiden entstandene Kontaktschicht.

Ikone des Widerstands

bild_14

Fotografie

Kunsthistorisches Institut in Florenz – Max-Planck-Institut / Carolin Behrmann

5. Juni 1989: Ein junger Mann im weißen Hemd, in der Hand Jacke und Einkaufstüten, stellt sich den Panzern auf dem Platz des Himmlischen Friedens entgegen. Bis heute weiß niemand, wer er ist, doch er wird zur Ikone des Widerstands – und zum Gegenstand der Kunst. Ein Werk des spanischen Künstlers Fernando Sánchez zeigt den jungen Chinesen gleich 5.000 Mal. Kleine grüne Plastikfigurinen, produziert in einer chinesischen Spielzeugfabrik, aufgestellt in der Eingangshalle der Dresdner Albertina. Unwillkürlich erinnern sie an die Terrakotta-Armee von Xi’an, eine der berühmtesten Sehenswürdigkeiten Chinas.

Bilder des Widerstands spielen eine wichtige politische Rolle. Sie werden täglich und in großer Zahl eingesetzt und prägen auch das Formenrepertoire der zeitgenössischen Kunst. Das Forschungsprojekt „Nomos der Bilder“ analysiert sie in ihrem rechtshistorischen Kontext.

Mikroskopisch kleine Multitalente

bild_15

Fluoreszenzmikroskopie

Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster / Peter Reinhardt

iPS-Zellen (induzierte pluripotente Stammzellen) sind wahre Alleskönner: Sie sind in der Lage, sich in fast jeden Zelltyp in unserem Körper zu entwickeln. Gewinnen lassen sie sich, indem Bindegewebszellen reprogrammiert, das heißt wieder in einen jugendlichen Zustand zurück versetzt werden. So ist es möglich, Patienten-spezifische Zellkulturen anzulegen, die als maßgeschneidertes Modell zum Studium von Krankheiten dienen können.

Hier haben Wissenschaftler iPS-Zellen verwendet, um daraus Astrozyten zu züchten. Diese sternförmigen Gehirnzellen spielen eine wichtige Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS), die zu kompletter Muskellähmung führt. Die Astrozyten sondern dabei bestimmte Faktoren ab, die toxisch auf die Bewegungsneuronen wirken und so nach und nach zu deren Degeneration führen. Forscher nutzen die gezüchteten Astrozyten als Modell, um diesen Prozess besser zu verstehen und Therapien für die bislang unheilbare Krankheit zu entwickeln.

Virtuelle Galaxie

bild_16

Computersimulation

Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching / Facundo Gomez

Die am Himmel sichtbare Milchstraße ist Teil einer Spiralgalaxie. Sie enthält neben Gas und Staub ungefähr 200 Milliarden Sterne, die sich in einer Scheibe konzentrieren. Diese ist jedoch nicht flach, sondern weist Wellen und Wölbungen auf. Wodurch entstehen diese großräumigen Strukturen? Dazu stellen Forscher im Computer die Bildung von Spiralgalaxien nach. Simulationen wie diese zeigen, dass nahe Begegnungen mit Satellitengalaxien sowie der Vorbeiflug von weit entfernten, massereichen Begleitern die häufigsten Geburtshelfer sind; sie erzeugen aufgrund der Gezeitenkräfte die erwähnten vertikalen Muster. Auch die Anreicherung von kaltem Gas aus dem Umfeld der Galaxie kann solche Strukturen bilden. Die Analyse der Daten ergibt außerdem, dass zum heutigen Zeitpunkt etwa 70 Prozent der simulierten galaktischen Scheiben starke vertikale Verzerrungen aufweisen. Rund die Hälfte davon hat die Form von Integralzeichen, die andere Hälfte besitzt Wellenmuster.

Ein Stern mit Komplexen

bild_17

Rasterelektronenmikroskopie, teilweise koloriert

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam / Christian Mbaya Mani

Poröse Kohlenstoffmaterialien werden heute in Technik und Forschung in verschiedensten Bereichen eingesetzt, zum Beispiel in der Gasspeicherung, in der heterogenen Katalyse oder in der Elektrochemie. Mit ihrer extrem vergrößerten Oberfläche, ihrer guten Leitfähigkeit sowie einer hohen thermischen und chemischen Beständigkeit eignen sie sich unter anderem besonders gut als Elektrodenmaterial für sogenannte Superkondensatoren.
Um solche Kohlenstoffmaterialien möglichst unkompliziert herzustellen, können poröse kristalline Materialien, sogenannte Koordinationspolymere, als Ausgangsverbindung genutzt werden. Ein solcher kristalliner Metallkomplex ist hier zu sehen. Er besteht aus Quadratsäure, welche in charakteristischer Weise um Zink-Ionen herum angeordnet ist. Die Eigenschaften der Kristalle können durch die Wahl der Synthesebedingungen, etwa Metallkonzentration und Temperatur, bestimmt werden. So ist es möglich, die Morphologie und Porosität der Koordinationspolymere und somit auch die des mit ihrer Hilfe synthetisierten Kohlenstoffmaterials „maßzuschneidern“.

Von Null auf Zehn in Nullkommanichts

bild_18

Wissenschaftliche Visualisierung

Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Köln / Angela Hay

Pflanzen haben keine Muskeln, sehr schnelle Bewegungen sind bei ihnen daher selten. Eine Ausnahme macht das Behaarte Schaumkraut (Cardamine hirsuta): Die Samenhülsen dieser Pflanze explodieren so rasant, dass sich der Vorgang nur mit Hochgeschwindigkeitskameras beobachten lässt. Der Schlüssel dazu liegt in einer evolutionären Innovation. Anders als andere Pflanzen, bei denen die Energie für die Explosion aus der Verformung der Samenhülsen beim Austrocken stammt, hat das Behaarte Schaumkraut eine besondere Art der Fruchtwand entwickelt. Diese speichert elastische Energie aus Wachstum und Ausdehnung und setzt sie schlagartig frei, sobald die Saat reif ist. Dabei löst sich ein von der Zellwand gebildetes Scharnier, ähnlich dem eines Schnapparmbands, und schleudert die Samen in die Luft. In nur einer halben Millisekunde beschleunigen sie dabei von null auf zehn Meter pro Sekunde. Die blauen Linien im Bild zeigen die Formveränderungen der Hülse, die Punkte den Bewegungsverlauf zweier definierter Stellen.
Mehr dazu: Explodierende Samenschoten

Wunderstoff der Zukunft

bild_19

Kelvinsondenkraftmikroskopie

Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz / Stefan Weber und Dmitry Turchinovic

Schon seit einigen Jahren sorgt Graphen in der Elektronik für Furore: Seine hauchdünnen Kohlenstoff-Schichten leiten Strom noch besser als Kupfer, zugleich ist das Material extrem reißfest und flexibel. Um elektronische Bauelemente aus Graphen noch schneller zu machen, testen Forscher, wie sich lokale Defekte auf die Leitfähigkeit auswirken. Hier haben sie eine einlagige Graphen-Schicht auf Glas aufgebracht und mit dem Rasterkraftmikroskop untersucht. Dabei tastet eine Messnadel die Probe ab und registriert, welche Kräfte zwischen den Oberflächenatomen und den Atomen an der Nadelspitze wirken. So wird ein Relief sichtbar – in diesem Fall nur wenige Millionstel Millimeter breite Falten, die das elektrische Potenzial erhöhen. Der hier gezeigte Ausschnitt hat eine Kantenlänge von knapp zwei Hundertstel Millimeter. Die Farben geben das Oberflächenpotenzial wieder, das gleichzeitig mittels einer Kelvin-Sonde bestimmt wurde (gelb-weiß: hoch; blau-schwarz: niedrig).

Im Licht des Wasserstoffs

bild_20

Visualisierung einer radioastronomischen Karte

Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
© EBHIS-Projekt: AIfA/Jürgen Kerp & MPIfR/Benjamin Winkel

Wasserstoff ist das mit Abstand häufigste und einfachste chemische Element im Kosmos, besteht es doch nur aus einem Proton und einem Elektron. Fast könnte man sich unser All als reines Wasserstoffuniversum vorstellen, mit einer nur geringfügigen „Verschmutzung“ durch schwerere Elemente. Der neutrale Wasserstoff (HI) sendet Licht aus, und zwar bei einer Wellenlänge von 21 Zentimetern. Diese Strahlung lässt sich mit Radioteleskopen beobachten. So haben die Forscher mit der 100-Meter-Schüssel des Observatoriums in Effelsberg bei Bonn über einen Zeitraum von mehreren Jahren den gesamten Nordhimmel kartiert. Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, erscheint hier als leuchtendes Band, das sich quer über den Himmel erstreckt. Die Andromedagalaxie ist als kleine helle Ellipse in der Mitte unterhalb des Bandes zu erkennen. Bei den rötlich erscheinenden Flecken auf der gegenüberliegenden Seite handelt es sich um Galaxien in nur wenigen Millionen Lichtjahren Entfernung.

Mehr dazu: Karte des Nordhimmels

Choreografie der Ionen

bild_21

Wissenschaftliche Visualisierung

Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg
Tobia Nova und Jörg Harms

Licht kann Information viel rascher verarbeiten als Strom. Mit ihm ließen sich etwa Transistoren und die Bits eines Magnetspeichers deutlich schneller schalten. Ein kürzlich entdeckter Mechanismus ermöglicht es nun, in einem magnetischen Material aus dem exotischen Metall Erbium, Eisen und Sauerstoff mit Terahertz-Strahlung magnetische Wellen, so genannte Spinwellen, anzuregen: Extrem kurze Pulse der Strahlung, deren Wellenlänge zwischen der von infrarotem Licht und der von Mikrowellen liegt, versetzen die Ionen des Kristalls in Rotation. Der wachsende Radius der Umlaufbahnen der Ionen wird hier durch die trichterförmigen Spiralen symbolisiert. Die rotierenden Ionen verändern das elektronische System des Kristalls so, dass ein Magnetfeldpuls entsteht. Dieser lässt die magnetischen Momente der Eisenionen (blaue Pfeile) im Gleichtakt um sich selbst kreisen. Da der Effekt bei Terahertz-Frequenzen auftritt, könnte er in Bauteilen für magnetische Speicher anwendbar sein, die sehr schnell arbeiten und dabei wenig Wärme erzeugen.

Bilderbibel in Elfenbein

bild_22

„Teilung von Licht und Schatten“, Museo Diocesano San Matteo,
KHI, Photothek, Inv. Nr. 613743, Digitalfotografie

Kunsthistorisches Institut in Florenz – Max-Planck-Institut / Roberto Sigismondi

Die im 11./12. Jahrhundert entstandenen Elfenbeinreliefs der Kathedrale von Salerno in Süditalien zählen zweifelsohne zu den bedeutendsten Werken mittelalterlicher Schnitzkunst. Gleichzeitig stellen sie eine der größten Herausforderungen der kunsthistorischen Forschung dar, denn über ihre Entstehung, den Auftraggeber sowie Herkunft und Funktion der Reliefs ist sehr wenig bekannt. Dargestellt sind zahlreiche Szenen aus dem Alten und Neuen Testament. Die genaue Untersuchung der Tafeln verrät, dass sie wahrscheinlich aus einem einzigen, gewaltigen Stoßzahn eines großen westafrikanischen Elefanten (Loxodonta africana) geschnitzt wurden. So sind manche der Tafeln stark gewölbt, in einigen werden die typischen Wachstumslinien des Zahnschmelzes in den Elementen des Motivs aufgenommen.
In einer großen Fotokampagne des Kunsthistorischen Instituts wurden die Tafeln neu dokumentiert. Mehr als 250 hochauflösende Fotografien machen nun die Salerno Ivories Forschenden in aller Welt zugänglich.
Mehr dazu in der online Ausstellung

Botanisches Puzzle

bild_23

Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie, Potsdam / Arun Sampathkumar

Pflanzenzellen von einer starren, aber doch flexiblen Struktur umgeben, der Zellwand. Diese gibt der Pflanze Stabilität und schützt sie vor Krankheitserregern, bestimmt aber auch die Wachstumsmöglichkeiten der Zellen. Hauptbestandteil der Zellwand ist Zellulose, ein sehr langkettiges Polysaccharid. Sollen Pflanzen mit starken Zellwänden zur Energiegewinnung oder als Syntheserohstoff genutzt werden, muss zunächst die Zellulose aufgespalten werden. Wissenschaftler interessieren sich daher für den Aufbau von Zellwänden nicht nur, um pflanzliches Wachstum besser zu verstehen, sondern auch um mehr über mögliche Wege zum Abbau des Makromoleküls zu lernen.
Hier sind die puzzleförmigen Pflasterzellen der Blattunterseite einer Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zu sehen. Ein blaugrüner Farbstoff macht die Plasmamembran und die komplexe Form dieser Zellen sichtbar. Ebenfalls deutlich erkennbar sind die Spaltöffnungen des Blatts, über die der Gasaustauch und die Wasserabgabe erfolgt. In der darunterliegenden Schicht sind in violett die Chloroplasten im Blatt zu sehen, die Orte der Photosynthese.

Massemonster mit Strahlkraft

bild_24

Wissenschaftliche Visualisierung

Max-Planck-Institut für Physik, München / M. Weiss (CfA)

Im Weltall wimmelt es von Galaxien. Etwa jedes zehnte dieser Milchstraßensysteme ist besonders aktiv. Es produziert deutlich mehr Licht und Energie, als sich durch die Sterne allein erklären lässt. Dies gilt auch für das Objekt PKS 1441+25. Dessen Kraftwerk sitzt tief im Herzen der Galaxie: ein schwarzes Loch, das so viel wiegt wie eine Milliarde Sonnen. Dieses Massemonster zieht Materie an, die sich in einer hell leuchtenden Scheibe sammelt. Ein Teil davon wird in Form von zwei Jets mit Lichtgeschwindigkeit nach außen geschleudert. Einer davon zeigt Richtung Erde, und die Astronomen blicken in ihn hinein wie in den Kegel eines starken Scheinwerfers. Doch ein solcher "Blazar" sendet nicht nur sichtbares Licht aus. Im Fall von PKS 1441+25 haben die Forscher auch Gammastrahlung registriert. Die war etwa 7,6 Milliarden Jahre zur Erde unterwegs, stammt also gleichsam aus dem „Mittelalter“ des Universums. Die Astronomen erhoffen sich daher erhellende Einblicke in diese Epoche.

Unser Adventskalender hat Ihnen gefallen? Hier gibt es weitere spektakuläre Bilder aus der Wissenschaft.

 
loading content