Im Rahmen eines in jedem Jahr stattfindenden Wettbewerbs stellen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der 83 Max-Planck-Institute Bilder aus ihrer Arbeit in den unterschiedlichsten Forschungsbereichen zur Verfügung. Die daraus entstandene Ausstellung gibt einen faszinierenden Einblick in die Welt der Wissenschaft.
Viele der Aufnahmen sind nicht nur online zu sehen, sondern stehen auch als großformatige, gerahmte Bilder (1,20 m x 1,20 m) zur Verfügung. Als Wanderausstellung wurden sie in unterschiedlicher Zusammenstellung schon an vielen Orten mit großem Erfolg gezeigt – unter anderem im Haus der Wissenschaft in Bremen, bei der ars electronica in Linz, im Miami Science Museum in Florida, in der Russischen Nationalbibliothek in Sankt Petersburg und im Deutschen Wissenschaftszentrum in Kairo.
Großes Molekülkino
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.
Albert Einstein hat sie in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie bereits vor mehr als 100 Jahren postuliert, direkt gemessen wurden Gravitationswellen erstmals am 14. September 2015. Die winzigen Verzerrungen in der Raumzeit entstehen im Weltall praktisch dauernd, doch messbar sind sie selbst mit den empfindlichsten Detektoren nur, wenn sehr große Massen sich sehr schnell bewegen – zum Beispiel beim Verschmelzen von zwei schwarze Löchern oder zwei Neutronensternen. Selbst dann sind die Signale, die auf der Erde ankommen, sehr schwach. Um sie in den großen Mengen der Detektordaten identifizieren zu können, studieren Physiker Ereignisse, bei denen starke Gravitationswellen entstehen, mithilfe numerischer Simulationen. Das Bild zeigt eine Simulation der Kollision jener zwei schwarzen Löcher, die im September 2015 gemessen wurde.
Solarzellen sollen künftig effizienter werden. Daher verarbeiten Wissenschaftler das Silizium für die Fotovoltaik-Elemente nicht zu den heute üblichen glatten Schichten, sondern zu Teppichen aus Nanodrähten, die besonders viel Licht absorbieren. Da die Drähte nur wenige 100 Nanometer dick und zwei Mikrometer lang sind, ähneln sie winzigen Türmen. Max-Planck-Forscher erzeugen die Strukturen, indem sie eine dünne Siliziumschicht zunächst mit Polystyrol-Kugeln überziehen. Anschließend ätzen sie das Silizium, das nicht von den Kugeln geschützt wird, mit einem Plasma, also stark ionisiertem Gas, weg. Normalerweise stehen die Siliziumtürme dann dicht zusammen. Hier haben die Forscher Lücken zwischen den Polystyrol-Kugeln gelassen, um die Drähte auch von der Seite begutachten zu können. Das Elektronenmikroskop, mit dem das Bild entstanden ist, unterscheidet zwischen verschiedenen Materialien, weil es zwei unterschiedliche Detektoren verwendet. Polystyrol bildet es rot ab, Silizium grün.
Für die Landwirtschaft hat die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) praktisch keine Bedeutung. Und doch ist sie eine der berühmtesten Pflanzen der Welt: Das kleine, einjährige Wildkraut ist der wichtigste Modellorganismus der Pflanzenforschung. Es ist anspruchslos, wächst schnell und bildet große Mengen Samen. Vor allem aber ist es bereits sehr gut untersucht und das exakt 25.498 Gene umfassende, für eine Pflanze recht kleine Genom ist vollständig bekannt. Hier dient ein Arabidopsis-Keimling dazu, den Transport von Proteinen zwischen Zellen und Geweben zu untersuchen. Das Bild zeigt die beiden ersten Blätter der Pflanze, links unten liegt die leere Samenhülle. Das Pflänzchen produziert in seinen Epidermiszellen ein rot-fluoreszierendes Protein, blau leuchten die Chloroplasten und Plastiden. Das untersuchte Protein ist im Versuch nur in den Epidermiszellen zu finden, es wird also vermutlich nicht in die darunterliegenden Zellen transportiert.
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.
Eine wichtige Rolle in unserem Immunsystem spielen die weißen Blutkörperchen. Unter diesen bilden die neutrophilen Granulozyten – kurz Neutrophile genannt – die erste Verteidigungslinie. Sie fressen Bakterien buchstäblich auf, indem sie die Erreger umschließen und im Zellinneren verdauen. Und die Neutrophilen (hier orange dargestellt) kennen noch einen zusätzlichen überraschenden Trick: Sie können faserige Strukturen wie ein Netz auswerfen (hier gelbgrün), damit Bakterien fangen und diese außerhalb der Zelle abtöten. Hier haben sich Shigella-Bakterien (blau) im Netz der Neutrophilen verfangen.
Im präkolumbischen Mittelamerika spielten kostbare Federn eine große Rolle als Tribut, im Opferkult und im Herrscherornat. Die Federmosaiken des frühkolonialen Mexiko verbinden diese Tradition mit europäischer Bildkultur. Gefertigt aus feinsten Federfragmenten stellen sie christliche Motive dar, die von europäischen, zu Missionszwecken importierten Stichen übernommen wurden. Die Federikonen wiederum wurden als diplomatische Geschenke nach Europa gebracht – schillernde Zeugnisse der frühen künstlerischen Begegnung von Alter und Neuer Welt. Hier bilden Kolibrifedern den Himmel in einem Bildnis des Evangelisten Johannes. Sichtbar wird aber auch die schwierige Konservierung: Insektenbefall bedroht die changierende Farbenpracht.
Detail eines Federmosaiks, Heiliger Evangelist Johannes, 16./17. Jahrhundert, Colección Daniel Liebsohn, Mexiko Stadt
Alle Organismen bestehen aus Proteinen. Die Grundstruktur dieser Makromoleküle – aus denen zum Beispiel Haut, Haare oder Muskeln aufgebaut sind – bilden lange Ketten aus 23 verschiedenen Aminosäuren. Deren Abfolge ist in der Erbsubstanz jeder Zelle festgelegt. Chemisch gesehen gibt es von jeder dieser Aminosäure zwei Formen, die sich nur in ihrer optischen Drehrichtung unterscheiden. In der Natur existiert jedoch normalerweise nur eine dieser Formen, die sogenannte L-Form. Warum dies so ist und welche molekularen Erkennungsprozesse zu dieser Bevorzugung führen, wollen Wissenschaftler mithilfe der LC-PolScope-Technik herausfinden. Dabei kann die Wachstumsrichtung und die optische Aktivität einzelner Körner in einem dünnen, polykristallinen Aminosäure-Polymer-Hybrid-Film durch die Zuordnung verschiedener Farben identifiziert werden. Gleichfarbige Körner haben dieselbe Wachstumsrichtung.
Ob Korallen, Würmer oder Muscheln – viele wirbellose Tiere des Meeres beginnen ihr Leben als Teil des Planktons. Dies gilt auch für den Borstenwurm Platynereis dumerilii, der in den letzten Jahren zu einem wichtigen Modellorganismus in der evolutionären Entwicklungsbiologie geworden ist. Die Larve steuert ihre Fortbewegung mithilfe des prominenten, gleichmäßig schlagenden Gürtels aus tausenden von Cilien. Doch wie findet sie einen Platz, der dem erwachsenen Wurm gute Bedingungen für sein recht stationäres Leben bietet? Die entscheidende Rolle spielt dabei ein einfaches Organ am Kopfende der Larve: die sogenannte Scheitelplatte. Dort lokalisierte Nervenzellen nehmen Umweltreize wahr und produzieren daraufhin ein Neuropeptid, das den Cilienschlag verändert. Die Larven beginnen abzusinken und suchend am Boden umherzukriechen. Wahrscheinlich können die Larven auf diese Weise Nährstoffe detektieren und so einen geeigneten Lebensraum finden.
Der Asteroid Vesta ist ein Relikt aus der stürmischen Jugend unseres Sonnensystems. Damals, vor mehr als vier Milliarden Jahren, gab es die großen Planeten noch nicht. Sie bildeten sich aus der Verklumpung vieler kleiner Trümmer zu Protoplaneten, die sich wiederum zu Planeten auswuchsen. Die etwa 525 Kilometer große Vesta scheint ein solcher Protoplanet zu sein, vielleicht das letzte Exemplar seiner Spezies. Diese Interpretation stützen auch die Messungen der US-Raumsonde Dawn. Dieses Falschfarbenbild hilft dabei, geologische Feldforschung zu betreiben. Dazu wurden die Kameraaugen von Dawn mit unterschiedlichen Filtern versehen und mehr als 17.000 Einzelbilder zu dieser topografischen Karte zusammengesetzt. Die Farben weisen auf unterschiedliche Höhen hin: So bedeutet Violett 22,5 Kilometer unterhalb des Nullniveaus der Oberfläche, Weiß 19,5 Kilometer darüber. Die Landschaft mit Kratern – sie zeugen von früheren Kollisionen mit anderen Himmelskörpern – und hohen Bergen ist überraschend heterogen. Sie ähnelt eher einem terrestrischen Planeten als einem primitiven Asteroiden.
Wie viel ist 17 mal 146? Oder 111 plus 97? Komplexe kognitive Leistungen wie das Rechnen werden erst durch die komplizierte Verschaltung von unterschiedlichen Gehirnregionen möglich. Wie diese Nervenfaserbündel zwischen den verschiedenen Hirnbereichen verlaufen, können Neurowissenschaftler mithilfe der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomografie (dMRT) nachvollziehen. Dabei nutzen sie den natürlichen Magnetismus der Teilchen im Gehirn, um die Diffusionsbewegung von Wassermolekülen im Gewebe zu messen. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf den Verlauf und die Signalrichtung der großen Nervenfaserbündel. Die gemessenen Diffusionsgradienten übersetzen die Forscher anschließend in leuchtende Farbmuster, die Farben geben dabei die Orientierung der Fasern an (rot: links-rechts; grün: vorne-hinten; blau: oben-unten).
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.
Sphärische, also kugelförmige, Linsen werden in der Forschung häufig verwendet, zum Beispiel als Frontlinsen in Mikroskop-Objektiven. Eine Sonderform sind dabei sogenannte "solid immersion lenses" (SIL), halbkugelförmige Linsen aus Materialien mit besonders großem Brechungsindex. In vielen Fragestellungen der Physik, Biologie und Medizin spielen sie heute eine wichtige Rolle, weil mit ihrer Hilfe eine sehr hohe räumliche Auflösung erzielt werden kann. Hier ist eine solche SIL zu sehen, deren Oberfläche zur Qualitätsprüfung in einem Twyman-Green-Interferometer vermessen wird. Die Linse besteht aus Galliumphosphid (GaP), einem Material, das für Licht bestimmter Wellenlänge transparent ist und einen sehr hohen Brechungsindex besitzt. Dadurch kann die für hochauflösende Untersuchungen erforderliche Fokussierung des Lichts erreicht werden.
Auf dem Foto scheint die SIL als Kugel zu schweben, doch dies beruht auf einer Täuschung: Die halbkugelförmige Linse und das Objektiv des Interferometers spiegeln sich im „Objektträger“, einem Metallspiegel, auf dem die Linse liegt.
Sie formen Wolken, lassen Stürme entstehen – und stellen Klimaforscher vor anspruchsvolle Aufgaben: Turbulenzen in der Atmosphäre bilden sich, wenn es zum Austausch zwischen kalter und warmer Luft kommt. Heizt sich zum Beispiel im Sommer eine Großstadt sehr viel stärker auf als die Umgebung, so steigt die warme Luft wie in einem Kamin schnell nach oben. An den Rändern vermischt sie sich dabei in zahlreichen großen und kleinen Wirbeln mit der kälteren Umgebungsluft. Interessant wird es besonders dann, wenn die aufsteigenden Wärmefahnen von zwei oder mehr Wärmequellen miteinander interagieren. Denn dann steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie die Atmosphärenschichtung einer ganzen Region durcheinander wirbeln und letztlich auch das Klima beeinflussen. In Computersimulationen variieren die Wissenschaftler Größe und Entfernung der Wärmequellen zueinander.
Methan wirkt als Treibhausgas mehr als zwanzigmal stärker als Kohlendioxid. Es entsteht, wenn bestimmte Mikroben aus der Gruppe der Archaebakterien unter Luftausschluss organisches Material abbauen − etwa in Reisfeldern, Mooren und Kuhmägen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Enzym Frh, eine Hydrogenase: Es spaltet Wasserstoff, der daraufhin mit Kohlendioxid weiter zu Methan reagieren kann. Mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie wurde die Struktur des Enzyms untersucht und ein Modell mit einer Auflösung von 3,4 Å erstellt. Insgesamt besteht das Frh-Protein aus zwölf Trimeren mit je drei Untereinheiten, hier blau, grün und violett dargestellt. Es enthält mehrere Eisen-Schwefel-Cluster – im Bild als gelbe Strukturen zu erkennen – und in den aktiven Zentren, an denen die Reaktion stattfindet, Nickel und Eisen. Das Enzym interessiert nicht nur Klimaforscher: Es könnte auch als Vorbild dienen, um synthetische Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu entwickeln.
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.
Auch wenn Mensch und Zebrafisch auf den ersten Blick scheinbar wenig gemeinsam haben, gibt es in ihrer Entwicklung und dem Aufbau der Organe doch erstaunlich viele Parallelen. So ist etwa die Netzhaut der Augen ganz ähnlich aufgebaut. Der kleine Fisch ist daher ein beliebter Modellorganismus, um die Entwicklung des Sehorgans zu studieren. Das Bild zeigt einen Querschnitt durch die Netzhaut eines drei Tage alten Zebrafisch-Embryos. Mithilfe von fluoreszierenden Proteinen haben Forscher unterschiedliche Zelltypen sichtbar gemacht. Damit können sie verfolgen, wie sich die Zellen umordnen, während sich die zunächst einfache Gewebeschicht zu einer mehrschichtigen Struktur weiterentwickelt. Ein Teil des Zellskeletts ist in Grün erkennbar, die Zellwände der Fotorezeptoren und der optische Nerv, der Informationen ins Haupthirn transportiert, leuchten in pink.
In modernen Schichthalbleitern können sich die Elektronen im Grenzbereich zweier aneinander stoßender Halbleiterschichten fast ungestört bewegen. Ein von außen angelegtes Magnetfeld fokussiert Elektronen, die aus einem Punktkontakt austreten, auf einen zweiten Kontaktpunkt (untere Hälfte der Simulation). Werden zur Erhöhung der Leitfähigkeit Fremdatome, zum Beispiel Phosphoratome, in den Halbleiter eingebracht, erzeugen bereits die extrem schwachen elektrischen Felder dieser Dotierungsatome zufällige minimale Ablenkungen der Elektronen. Dadurch bilden sich zusätzliche Fokussierungslinien im Elektronenfluss, die zu einer ganz charakteristischen Verästelung der Stromdichte führen (obere Hälfte der Simulation). Ganz ähnliche Mechanismen führen in den Ozeanen dazu, dass sich scheinbar „aus dem Nichts“ Monsterwellen auftürmen können.
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.
Lernen und Gedächtnis beruhen darauf, dass im Gehirn die Verbindungen zwischen den Zellen ständig umgebaut, gelöst oder neu geknüpft werden. Um diese Vorgänge untersuchen und verstehen zu können, braucht man vereinfachte Modelle. Forscher am Max-Planck-Institut für Hirnforschung lassen Nervenzellen auf einer fotolithografisch strukturierten Platte in feinen Mikrokanälen wachsen. Dadurch wird das komplexe dreidimensionale Geflecht der Nervenzellen im Gehirn in der Zellkultur auf zwei Dimensionen reduziert. Die Forscher können so analysieren, wie sich Synapsen zwischen den Zellen bilden oder lösen und welche Rolle chemische Substanzen wie Neurotransmitter dabei spielen. Auch für die Entwicklung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe ist diese Zellkulturtechnik von großem Interesse.
Solarzellen sind Garanten einer klimafreundlichen Stromversorgung. Damit sie Sonnenlicht künftig effizienter in Elektrizität verwandeln und weniger Silizium brauchen, erforschen Wissenschaftler Fotovoltaik-Elemente, die nicht aus einer geschlossenen Silizium-Schicht bestehen, sondern aus einem dünnen Teppich von Nanodrähten. Gewöhnlich stehen die Siliziumdrähte dicht an dicht. Denn zum einen wird das Licht dann zwischen den Säulen gefangen wie in einem Spiegelkabinett, zum anderen besitzen die Nanodrähte spezielle optische Eigenschaften, dank derer sie mehr Licht aufnehmen als eine glatte Schicht. Ästhetisch jedoch machen vereinzelte Nanodrähte mehr her – vor allem wenn sie mit einem Elektronenstrahl abgetastet werden, der von drei Dioden eingefangen wird und die Dioden die gestreuten Elektronen jeweils rot, grün oder blau abbilden. Wenn eine oder zwei der Dioden in dem Schatten liegen, den der Elektronenstrahl an einem Nanodraht wirft, ergibt sich das Farbenspiel.
Im Klimageschehen spielen turbulente Strömungen eine wichtige Rolle, etwa bei der Wolkenbildung oder – wie hier berechnet und visualisiert – bei den Austauschprozessen an der Oberfläche von Gewässern. Kühlt das Wasser an der Grenze zur Luft ab, entsteht in der Schicht darunter durch Konvektion und Auftrieb ein typisches, zellenartiges Muster der Wärmeverteilung im Wasser: Die dunklen Zonen sind relativ warme Bereiche, die sich nach oben bewegen. Gleichzeitig sinken kühlere, oft nur millimeterbreite Bereiche – hier die hellen Ränder der „Zellen“ – nach unten. An den Knoten des Netzes treten winzige Strudel auf, manchmal sogar Doppelwirbel mit entgegen gesetzter Drehrichtung.
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.
Neutronensterne vereinigen rund anderthalb Sonnenmassen in einer Kugel, deren Radius mit 10 bis 12 Kilometern nicht größer ist als der einer Kleinstadt. Dies führt zu extrem hohen Dichten und Gravitationskräften. Wenn zwei Neutronensterne kollidieren und zu einem schwarzen Loch verschmelzen, entstehen Gravitationswellen – winzige Verzerrungen in der Raumzeit. Albert Einstein hat dies bereits vor mehr als 100 Jahren in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie postuliert; direkt gemessen wurden Gravitationswellen erstmals am 14. September 2015. Mithilfe numerischer Simulationen lernen Physiker die Signale von Gravitationswellen besser kennen, damit sie sie in den großen Mengen der Detektordaten besser identifizieren können. Das Bild zeigt eine solche Simulation einer Neutronenstern-Kollision.
Auf einer Muschel stehend lenkt der Meeresgott Neptun ein Pferdegespann durch die Fluten. Diese Szene ist in einem außergewöhnlichen Mosaik in der Fonte Doria in Genua festgehalten. Die künstliche Grotte – Mitte des 16. Jahrhunderts von dem Architekten Galeazzo Alessi angelegt – hat mehrere Wasserspiele und ist mit Korallen, Muscheln, Majolika-Plättchen und Kristallen ausgeschmückt. Aufgrund ihres äußerst schlechten Erhaltungszustandes ist die Fonte Doria heute für die Öffentlichkeit nicht mehr zugänglich. In einer der Fotokampagnen der Photothek des Kunsthistorischen Instituts in Florenz wurden die Mosaiken erfasst und dokumentiert. Die Fotokampagnen des KHI erfassen in jährlich rund 3000 digitalen Aufnahmen schwerpunktmäßig die vielfach noch unerforschte Innenausstattung florentinischer Paläste und Villen sowie die Architektur und Kunst in kleineren toskanischen Zentren.
Eine verzweigte Vene schlängelt sich durch das Rückenmark einer Ratte. Der Blutstrom bringt lebenswichtige Nährstoffe zu den Nervenzellen und entsorgt Abfallstoffe. Die Zellwand des Blutgefäßes bildet dabei normalerweise eine Grenzbarriere, die das empfindliche Nervengewebe vor Krankheitserregern schützt. Doch bei Krankheiten wie der Multiplen Sklerose durchbrechen Zellen des eigenen Immunsystems diese Schutzmauer: Aggressive T-Zellen – hier in rot – heften sich an die Wand der Blutgefäße und klettern daran entlang. Schließlich zwängen sie sich durch die Gefäßwand und dringen in das Rückenmark ein, wo ihr Kontakt mit Fresszellen die Invasion weiterer T-Zellen auslöst. Die Folge ist eine Entzündung mit Schädigung der Nervenzellen.
Das galaktische Doppelsternsystem SS433 besteht aus einem massereichen, jungen Riesenstern, um den vermutlich ein Schwarzes Loch kreist. Es verschluckt Gas, das aus dem Riesenstern ausströmt. Die Energie, die dabei frei wird, schleudert einen sehr kleinen Teil des überströmenden Gases in Form zweier gebündelter Strahlen, sogenannter Jets, in das Weltall hinaus. Durch Gezeitenkräfte ändert sich die Raumrichtung der Jets in regelmäßigen Abständen. Dadurch entsteht eine spiralförmige Struktur, wie diese Computersimulation eines der beiden Jets zeigt.
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.
Der Zebrafisch (Danio rerio) ist ein beliebter Modellorganismus in der Entwicklungsbiologie. Innerhalb von drei Monaten wächst er von einer befruchteten Eizelle zu einem geschlechtsreifen Tier heran. Das Foto zeigt zwei Tage alte Larven; die Mundöffnung ist bereits gut zu erkennen. Doch was hier auf den ersten Blick wie Augen aussieht, sind mit Wimpern umrandete Einstülpungen: die zukünftigen Riechorgane. Die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie untersuchen an Zebrafisch-Embryonen die Entwicklung von Geweben und Organen. Beim linken der hier gezeigten Embryonen führt ein genetischer Defekt zu Problemen bei der Entwicklung der Haut.
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.
Ob Schneckenhäuser, Galaxien oder Tiefdruckwirbel – Spiralen kommen in der Natur in den unterschiedlichsten Zusammenhängen vor. Und doch haben sie eines gemeinsam: Sie sind stets nur in eine Richtung verschlungen. Dass das nicht immer so sein muss, zeigt diese Computersimulation einer verdrehten Spirale, bei der sich innerer und äußerer Teil in entgegengesetzte Richtungen aufwickeln. Eine solche verdrehte Spirale kann dann auftreten, wenn im Raum verteilte Oszillatoren zusammenwirken: Wird den Oszillatoren nämlich durch eine periodische äußere Störung eine andere als ihre natürliche Frequenz aufgezwungen, dann können sie sich zu einer verdrehten Spirale organisieren.
Kleine Fehltritte können große Auswirkungen haben. Das gilt auch für Elektronen, die sich – wie in dieser Simulation – in einem zwei-dimensionalen Elektronengas von einer punktförmigen Quelle in alle Richtungen ausbreiten. Ort des Geschehens ist eine wenige millionstel Millimeter dicke, leitende Schicht bestimmter Halbleiterbausteine. Im Bild ist die Elektronendichte zu erkennen – je dunkler der Bereich, desto mehr Elektronen. Schwache Störstellen – kleine „Unebenheiten“ in der leitenden Schicht – führen zu „Fehltritten“ der Elektronen und damit zu der ausgeprägten Verästelung des Teilchenstroms. Ein Effekt, der bei der Entwicklung zukünftiger Halbleiterbausteine berücksichtigt werden muss.
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.
Wie eine im Wind flackernde Kerze erscheint diese Haarsinneszelle einer Zebrafischlarve. Haarsinneszellen leiten mechanische Reize an das Nervensystem weiter. Solche mechanischen Reize können zum Beispiel durch Bewegung oder Schall ausgelöst werden. Haarsinneszellen bestehen aus Bündeln von bis zu 300 Stereocilien, langen haarähnlichen Fortsätzen unterschiedlicher Höhe, die miteinander durch feine Filamente vernetzt sind. Die Bereiche, die auf die Übertragung des mechanischen Reizes spezialisiert sind, liegen in der Spitze der Stereocilienbündel.
An ein Gemälde erinnert diese Elektronenmikroskopaufnahme von Salztröpfchen, die in gelartige Strukturen eingebettet sind. Max-Planck-Wissenschaftler untersuchen Kristallisationsprozesse in flüssigen Filmen und haben dazu eine Lösung aus DL-Lysin-Monohydrochlorid und Polyacrylsäure mit Ethanol vermischt und auf einer Glasplatte ausgestrichen. Der dünne Film, der im Unterschied zu herkömmliche Gelen aus zwei Phasen besteht, verteilt sich sehr schnell auf der gesamten Oberfläche. Durch die Verdunstung des Ethanols entstehen isolierte gelbe Kristalle – etwa 20 Mikrometer im Durchmesser – und rufen Assoziationen mit Vincent van Goghs „Sternennacht“ wach.
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.
Blatthaare haben verschiedene Funktionen für Pflanzen. Sie dienen zum Beispiel als Verdunstungsschutz: Ein Blatt mit Blatthaaren verliert viel weniger Feuchtigkeit. Außerdem können sie Abwehrstoffe gegen Pflanzenfresser enthalten – wie etwa bei der Brennnessel – oder Substanzen, die der Parasiten- und Pilzabwehr dienen. Genveränderungen können die Blattentwicklung von Pflanzen beeinflussen – unter anderem die Form und Verteilung der feinen Blatthärchen. Für Biologen sind diese deshalb ein guter Indikator, um über die Aus¬wirkungen von Mutationen mehr über die Funktion von Genen zu erfahren.
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.
Kryo-Elektronentomografie. Bei dieser Technik werden Zellen in flüssigem Stickstoff schockgefroren und bei -196°C Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln im Transmissionselektronen-Mikroskop angefertigt. Aus den zweidimensionalen Aufnahmen der Zellen werden die 3-D-Strukturen rekonstruiert.