Bilder aus der Wissenschaft

Wer die Bewegung von Atomen studieren will, muss schnell sein: Forscher benötigen dazu eine Hochgeschwindigkeitskamera mit „Verschlusszeiten“ im Bereich von Femtosekunden, das entspricht einem Millionstel einer milliardstel Sekunde (10^-15 s). Nun ist es ihnen gelungen, Elektronenblitze von nur 28 Femtosekunden Dauer zu erzeugen – sechsmal kürzer als es bisher möglich war. Treffen solche ultrakurzen Blitze auf einen Biomolekül-Kristall, werden sie daran gestreut. So ergibt sich für jedes Molekül ein charakteristisches Beugungsbild, wie hier zu sehen. Künftig wollen die Physiker die neuen Möglichkeiten nutzen, um Teilchenbewegungen während einer Reaktion zu beobachten. Dazu regen sie das Molekül mithilfe eines optischen Laserpulses an und schicken einen Elektronenblitz hinterher, um die momentane Struktur einzufangen. Aneinandergereiht ergeben extrem viele solcher Schnappschüsse einen Film der atomaren Dynamik.

Magnetische Wirbelstrukturen wie die hier dargestellte könnten einmal helfen, Daten besonders schnell zu verarbeiten. Sie entstehen in magnetischen Plättchen mit einem Mikrometer Durchmesser und einigen Nanometern Höhe. Darin ordnen sich die einzelnen magnetischen Momente, die man sich als winzige Stabmagneten vorstellen kann, anders an als in einem gewöhnlichen Permanentmagneten: Ihr Magnetfeld bildet Nadeln, die vorne (rot) oder hinten (blau) aus dem Plättchen herausragen und so die Null oder Eins eines Datenbits speichern können. Kurze Magnetpulse klappen die Richtung der Nadeln blitzschnell um. Die Simulation zeigt den Übergang mit Nadeln nach vorne (rot) und hinten (blau). In den orangen und grünen Bereichen sind die Magnetmomente nur leicht aus der Bildebene gedreht.

Auch wenn es bereits im antiken China bekannt war – Gusseisen ist auch heute noch Gegenstand aktueller Grundlagenforschung. Als Legierung mit kugelförmigem Graphit ist es ähnlich verformbar wie Stahl, aber deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen. Das auch als Sphäroguss bezeichnete Material wird zum Beispiel für die Herstellung von Rohren, in der Fahrzeugindustrie oder in der Reaktortechnik verwendet. Das Bild zeigt die Mikrostruktur der Legierung: Die Kohlenstoffkügelchen erscheinen als runde Inseln; das feine Liniennetz zeigt, wo verschiedene Körner des Materials aneinander stoßen. Max-Planck-Forscher untersuchen, wie die Mikrostruktur des Werkstoffs dessen Eigenschaften beeinflusst. Sie möchten die Struktur und mithin die Eigenschaften der Materialien für verschiedene Anwendungen maßschneidern.

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.

Die Blüte der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gibt den Blick auf die Staubgefäße frei, nachdem Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung das Gewebe mit einem Lösungsmittel aufgehellt haben. Unter dem Fluoreszenzmikroskop erscheinen die Pollenkörner in leuchtendem Blau. Das Bild entstand im Rahmen eines Projekts zur Auswirkung von Kupfermangel auf Pflanzen. Kupfer ist unter anderem wichtig für die Bildung von Lignin, das sowohl die Stabilität und Funktion der Leitbündel, als auch die Freisetzung der Pollen beim Öffnen der Blüte garantiert. Daher führt ein Mangel an Kupfer in der Landwirtschaft, wie zum Beispiel beim Anbau auf Sandböden, zu erheblichen Ertragsminderungen.

Wo nichtlineare Prozesse am Werk sind, entsteht oft Chaos. Kleinste Änderungen können dabei große Effekte haben, zum Beispiel beim Klima. In dieser Simulation hat eine nichtlineare Wechselwirkung jedoch eher eine ordnende Wirkung: Ein sehr intensiver und nur 100 Femtosekunden dauernder – eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel Teil einer Milliardstel Sekunde – ultravioletter Lichtblitz läuft von links nach rechts durch das Edelgas Xenon. Von dem Lichtspuls, der am linken Bildrand in Gelb zu sehen ist, spaltet sich nach einiger Zeit ein Soliton ab – eine Art Super-Lichtpuls, der durch nichtlineare Prozesse stabilisiert wird. Anders als ein gewöhnlicher Lichtpuls oder eine gewöhnliche Wasserwelle zerfließt ein Soliton nicht. Das nur 15 Femtosekunden kurze Soliton ist als scharfe und an den intensivsten Stellen rote Linie zu erkennen.

Der Zebrabärbling (Danio rerio), ein gestreifter, rund fünf Zentimeter langer Fisch, hat ähnliche Herz-Gene wie der Mensch. Auch die Signalwege, welche die Ausbildung des Organs steuern, stimmen in großen Teilen überein. Das kleine Tier ist daher ein beliebter Modellorganismus. Die Forscher unterdrücken dabei die Bildung einzelner Signalproteine und beobachten die Effekte auf die Entwicklung des Organs. Das Bild zeigt das normal entwickelte, mit Fluoreszenzproteinen angefärbte Herz eines 48 Stunden alten Zebrafischembryos. Es ist zu diesem Zeitpunkt nur einen halben Millimeter groß und besteht – wie bei allen Fischen – aus einem Vorhof und einer Herzkammer. In Grün sind die Herzmuskelzellen erkennbar, in Rot die Zellkerne. Das atriale Myosin – ein Protein, das nur im Vorhof vorkommt – leuchtet blau.

Mit der Zellhülle interagieren zahlreiche Eiweiße (Proteine). Dabei erfüllen sie verschiedenste Aufgaben – von der Signalverarbeitung bis zur Zellteilung. Da diese Prozesse hochkomplex sind, nutzen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie sogenannte Minimalsysteme. In diesen winzigen, synthetisch erschaffenen Systemen können sie ausgewählte Zellbestandteile und ihre Funktionen unter kontrollierten Laborbedingungen beobachten – wie hier eine Lipidmembran mit darin angelagerten Proteinen. Da sich diese Proteine in der Membran selbständig bewegen und organisieren, bilden sie Bewegungsmuster, die wie ein Wellenteppich scheinen. Diese Strukturen beobachten die Forscher als violettes Formenspiel.

Mehrere tausend Grad heißes Plasma steigt aus dem Innern der Sonne nach oben, kühlt sich ab und sinkt wieder in die Tiefe. Dort wo starke Magnetfelder das Plasma festhalten, entstehen dunkle Sonnenflecken. In den Randbereichen des abgebildeten Flecks sind fadenförmige Strukturen zu erkennen, in denen die Felder eigentlich stark genug sind, um Strömungen zu unterbinden. Diese Strukturen müssten daher dunkler erscheinen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung konnten jedoch nachweisen, dass die Magnetfelder hier stellenweise gelockert sind. In diesen Gebieten bilden sich langgezogene helle Strukturen aus, in denen trotz hoher Feldstärken energiereiches Plasma an die Oberfläche gelangen kann. In einer zeitlichen Abfolge von hochaufgelösten Aufnahmen scheinen sich diese Strukturen um ihre eigene Achse zu drehen.

Um optimal zu wachsen, brauchen Pflanzen ausreichend Stickstoff. Bei Stickstoffmangel müssen Fotosynthese und Wachstum reduziert werden. Dazu haben Pflanzen verschiedene Strategien entwickelt, wie etwa die verstärkte Bildung des roten Blattfarbstoffs Anthocyan, der vor zu viel Lichteinstrahlung schützt. Wissenschaftler vermuten, dass die gleichen Mechanismen, die die Anthocyanbildung regulieren, auch die Bildung der Blatthärchen beeinflussen, die die Pflanze vor Austrocknung schützen. Im Rahmen der Untersuchungen zur Auswirkung von Stickstoffmangel wurde daher auch die Größe und Anzahl der Blatthärchen untersucht. Zu sehen ist ein solches Haar bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana).

Dunkle Materie ist nicht sichtbar, sie sendet keinerlei Strahlung aus, aber dennoch existiert sie – denn ihre Gravitation zieht andere, gewöhnliche Materie an. Diese Computersimulation macht Dunkle Materie sichtbar; sie zeigt ein virtuelles kosmisches Netz der Dunklen Materie, das einzelne, hell leuchtende Galaxien im Universum miteinander verbindet. Das farbenprächtige Bild ist Teil der Millennium-Simulation und zeigt die große Vielfalt und Komplexität kosmischer Strukturen, die aus der gravitativen Dynamik der Teilchen der Dunklen Materie entstehen. Helligkeitsunterschiede stehen dabei für die lokale Dichte und Farbtöne für die verschiedenen Geschwindigkeiten der Materie.

Was auf den ersten Blick wie eine exotische Blüte erscheint, ist das menschliche Immunsystem in Aktion: Ein weißes Blutkörperchen (hier rot dargestellt) ist im Begriff, Tuberkulosebakterien (gelb) unschädlich zu machen. Die Bakterien werden von der Zellmembran der Fresszelle umschlossen, ins Innere gezogen und dort eingeschlossen – im Idealfall für immer. Doch Mycobacterium tuberculosis ist hart im Nehmen. Dank einer besonders widerstandsfähigen Hülle können die Bakterien in den Fresszellen jahrelang überleben und bei einer Schwächung des Immunsystems – sei es durch Krankheiten wie Aids oder auch durch das Alter – wieder freigesetzt werden.

Winzige Kegel aus Kieselgel wachsen geordnet auf einer Glasoberfläche. Sie bestehen in ihrem Inneren aus nanometergroßen Kieselgel­röhren, die sich spiralförmig um eine Achse wickeln – ähnlich wie bei Lakritzschnecken. Die zentrale Symmetrieachse ist bereits im Anfangskeim des Kegels vorhanden und für das spätere Aussehen und die Eigenschaften der Silicaformen verantwortlich. Die Röhren wiederum enthalten geordnete organische Moleküle. Das ganze Arrangement ist damit hierarchisch gegliedert. Hierarchische Strukturen kannte man bisher vor allem aus der Natur – zum Beispiel vom Knochenaufbau.

Der Echte Mehltau (Golovinomyces orontii), ein Pflanzenschädling aus der Gruppe der Schlauchpilze, bildet auf Blättern der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) ein fädiges Pilzgeflecht. Die aus diesem Myzel hervorragenden Sporenträger entwickeln an ihrer Spitze Stapel von asexuellen Sporen, die vom Wind verbreitet werden. Auf diese Weise kann der Pilz weitere Pflanzen befallen. Wissenschaftler nutzen die Interaktion zwischen dem Echten Mehltau und der Ackerschmalwand als ein Modellsystem, an dem sie untersuchen, wie Pflanzen auf Pilzinfektionen reagieren und wie Pilze die Abwehrmechanismen von Pflanzen umgehen.

Fusionskraftwerke sollen – ähnlich wie die Sonne – aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Der Fusionsbrennstoff, ein ultra-dünnes Wasserstoff-Plasma, hat eine Zündtemperatur von über 100 Millionen Grad Celsius. Selbst die Gefäßwände erreichen immer noch einige hundert Grad. Forscher entwickeln daher neue hitzebeständige Materialien für den Bau solcher Anlagen. Die Probe zeigt eine Wolframlegierung, in die Silizium und Chrom eingebaut wurde, um das Material oxidationsbeständiger zu machen. Unter dem Mikroskop zeigen sich Spannungsrisse, hervorgerufen durch unterschiedliche thermische Ausdehnung – ein Effekt, der bei der späteren Anwendung vermieden werden sollte.

Um die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern und gasförmigen Proben zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler die Fotoelektronen- und Fotoionenspektroskopie: Energiereiches Licht kann Elektronen aus Materie schlagen. Aus der Flugbahn und Geschwin­digkeit schließen Wissenschaftler dann auf die elektronische Struktur der Materie. In der hell leuchtenden Mitte der Kugel befindet sich die Probe, auf die der Lichtstrahl eines Freien Elektronen Lasers (FEL) trifft. Sensoren an den Kugelwänden, Laufzeitspektrometer genannt, fangen die Elektronen ein. Gekühlt wird das ganze System durch flüssigen Stickstoff, der von oben auf das Zentrum der Anordnung geträufelt wird und unten in einer Wolke entweicht.

Nur einen tausendstel Millimeter groß sind die hier rot eingefärbten Neisseria-Bakterien. Diese auch als Gonokokken bekannten Erreger verursachen die Geschlechtskrankheit Tripper. Bei einer beginnenden Infektion lagern sie sich in Zweier- und Viererpackungen an die Zellen menschlicher Schleimhäute an. In der Detailaufnahme wird sichtbar, wie es den Bakterien gelingt, von den Schleimhautzellen aufgenommen zu werden. Über einigen der Gonokokken hat sich die Zellmembran bereits geschlossen. Dies ist der Beginn der Infektion, die zu Entzündungen und starkem Eiterfluss führen kann.

Er schimmert so intensiv blautürkis, dass man ihn fast für einen echten Kristall halten könnte: tatsächlich ist hier jedoch ein „Kolloidkristall“ abgebildet. Ein solcher Kolloidkristall kann entstehen, wenn eine wässrige Kunststoffdispersion austrocknet. In der Polymerchemie werden alle Emulsionen oder Dispersionen, also Mischungen eines festen oder flüssigen Polymers in einer Flüssigkeit, als Latex bezeichnet – ein Name der sich vom Milchsaft des Kautschukbaumes ableitet. Der hier gezeigte Kolloidkristall hat sich aus so einem Latex gebildet: die länglichen „kristallinen“ Körner entstehen dabei entlang der Fließrichtung des Polymers.

Arzneistoffe sind am wirkungsvollsten – und mit den geringsten Nebenwirkungen verbunden – wenn sie direkt in den erkrankten Regionen des Körpers freigesetzt werden. Max-Planck-Wissenschaftler arbeiten an einem Transportsystem, das Wirkstoffe erst dann abgibt, wenn es die Zielzellen erkennt: Mikrokapseln mit speziellen Erkennungsmolekülen docken direkt an kranke Zellen, z.B. Krebszellen, an. Durch die Änderung von Temperatur, pH-Wert oder Salzgehalt können die Wirkstoffe durch die Wände der Kapseln entweichen. Hier wurden verschiedene Arten solcher Kapseln hohen Temperaturen ausgesetzt: Manche schrumpfen dabei zu festen Kügelchen (gelb), andere verschmelzen zu größeren Kapseln (grün), die beim Trocknen in sich zusammen fallen.

Weltweit infizieren sich jedes Jahr bis zu 90 Millionen Menschen mit Chlamydia trachomatis. Damit sind Chlamydieninfektionen, die unbehandelt zu Unfruchtbarkeit führen können, mit Abstand die häufigste der sexuell übertragbaren Erkrankungen. Chlamydien, die mit einer Größe von 0,5 Mikrometern zu den kleinsten Bakterien überhaupt zählen, können sich nur innerhalb von Zellen vermehren. Sie überleben in sogenannten Einschlusskörpern (grün) und nutzen den Stoffwechsel der Zelle aus. Schließlich platzt die Zelle und setzt hunderte neuer infektiöser Partikel frei. Forscher am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie wollen mithilfe molekularbiologischer Techniken den Virulenzmechanismen des Erregers auf die Spur kommen.

Eine faserige Struktur ist außergewöhnlich für das Mineral Bariumsulfat – normalerweise kristallisiert es zu kleinen Plättchen. Ursache der überraschenden faserartigen Struktur ist die Zugabe von Polyacrylsäure während der Kristallisation. Die Polyacrylsäure gehört zur Klasse der Polymere, das sind chemische Verbindungen aus langen oder stark verzweigten Molekülketten. Polymere verändern in fast jedem modernen Werkstoff die Eigenschaften des Materials und sie beeinflussen auch das Wachstum von Kristallen. Die Natur nutzt das schon lange aus, durch Biomineralisation stellt sie Verbundmaterialien wie Knochen, Zähne oder Perlen her.

Dieser biologische Rotor liefert durch seine Drehung die Energie zur Bildung des Moleküls ATP und damit den Treibstoff für die Energieversorgung aller lebenden Zellen. Gefunden wurde er in der Zellmembran des Bakteriums Ilyobacter tartaricus. Der Ringdurchmesser des Rotors beträgt etwa fünf Nanometer. Wissenschaftler konnten ein dreidimensionales Strukturmodell des Rotors erstellen, der aus elf identischen Protein-Untereinheiten aufgebaut ist. Dazu kristallisierten sie den isolierten Ring aus Kohlenstoff-Untereinheiten mit Lipiden. Die elektronenmikroskopischen Bilder der Kristalle wurden am Rechner ausgewertet und anschließend in eine Elektronendichtekarte umgesetzt.

Das Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense hat eine besondere Eigenschaft: Es kann sich nach dem Erdmagnetfeld orientieren. Möglich wird dies durch besondere Strukturen in den Zellen des Bakteriums, die Magnetosomen. Sie enthalten kleinste Eisenoxidkristalle (Magnetite), die sich am Magnetfeld ausrichten. Das Tomogramm ermöglicht einen Blick ins Innere der Zelle: Die Magnetiten (rot eingefärbt) sind umgeben von Membranen (gelb), die sie als Vesikel einschließen und so voneinander trennen. Die filamentösen Strukturen sind grün, die Zellmembran des Bakteriums ist blau eingefärbt. Die Ansicht verdeutlicht, dass die Magnetosomen an einer Art Schnur aufgereiht sind und das Bakterium wie eine Kompassnadel ausrichten.