Bilder aus der Wissenschaft

Alle Neutronensterne, kompakte Überbleibsel von Supernovae, sind magnetisch. Doch einige von Ihnen, die „Magnetare“ sind die stärksten Magneten im gesamten Universum. Der Grund für ihr außergewöhnlich starkes Magnetfeld liegt vermutlich darin, dass sie in Supernovae-Explosionen von bereits hochmagnetisierten Sternen entstehen. Wie aber kommen die zu ihrer ungewöhnlich hohen Anziehungskraft? Ein Team von Astrophysikern aus Deutschland und Großbritannien hat dieses 70 Jahre alte Rätsel nun gelöst. Am Computer verschmolzen die Forscher zwei Sterne, von denen jeder ein ganz normales Magnetfeld besaß. Auf dem Bild ist dieser Prozess zu sehen, die Färbung zeigt die Stärke des Magnetfelds, die Schraffierung stellt die Feldlinien dar. Das Endprodukt der Simulation war ein einziger, jetzt aber äußerst stark magnetischer Stern. Explodiert er eines Tages als Supernova, wird aus den Trümmern ein Magnetar geboren.
 

Sie stehen meist im Schatten ihrer weitaus berühmteren Nachbarn und lange hat sich kaum jemand für sie interessiert – dabei würde ohne sie in unseren Köpfen gar nichts funktionieren: Die Rede ist von Gliazellen, die in unserem Gehirn ungefähr genauso häufig vorkommen wie Nervenzellen. Sie bilden die Grundstruktur des Gehirns, versorgen die Nervenzellen mit Nahrung und entsorgen deren Abfallstoffe. Auch die Myelin-Schicht, die die langen Nervenfasern elektrisch isoliert, wird von Gliazellen gebildet. Sie ist die Voraussetzung für die für Wirbeltiere so typische, schnelle Nervenleitung. Bei einer Verletzung – etwa nach einem Schlaganfall – treten bestimmte Typen von Gliazellen in Aktion: Mikroglia (hier rot) und Astrozyten (grün) stützen, schützen und ernähren die Nervenzellen (hier erkennbar als diagonales Band aus blau angefärbten Zellkernen), so dass diese sich regenerieren und optimal versorgt ihren eigenen Funktionen nachkommen können.
 

In gewisser Hinsicht öffnet diese Simulation ein Fenster in eine andere Welt: Forschende des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme haben berechnet, wie sich eine Spinflüssigkeit nachweisen lassen könnte. Denn theoretischen Überlegungen zufolge sollten Spinflüssigkeiten existieren, experimentell wurden sie bislang jedoch nicht eindeutig nachgewiesen. In Spinflüssigkeiten interagieren die Spins, die jedem Atom ein magnetisches Moment geben, stark miteinander, ähnlich wie in einem Ferromagneten. Anders als in letzterem bilden sie dabei aber keine feste Ordnung, sondern bewegen sich ständig. Das Max-Planck-Team hat nun simuliert, welche Signatur ein bestimmter Typ von Spinflüssigkeiten in der Neutronenstreuung hinterlassen würde (– mit dieser Methode lässt sich die magnetische Struktur eines Materials aufklären). Bei der Simulation des Streubildes verwendeten die Forschenden ein Modell, das mathematisch mit der Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen oder „Grundkräfte“ der Physik (dazu gehört z.B. der Elektromagnetismus) verwandt ist. Das entwickelte Modell gilt in unserer Welt jedoch nur für Spinflüssigkeiten. In einem anderen Universum mit anderen physikalischen Gesetzen könnte es jedoch die Wirkung der Grundkräfte beschreiben. Und so bieten Spinflüssigkeiten Einblicke in die Physik möglicher anderer Welten.
 

Die Kristalle auf dem Objektträger unter dem Mikroskop wirken fast wie bunte Eisblumen. Der „kleine“ Unterschied liegt in der Temperatur: Diese schillernden Strukturen entstehen, wenn Hydroxyhydrochinon beim Abkühlen aus einer 150 Grad heißen Schmelze kristallisiert. Max-Planck-Wissenschaftlerinnen untersuchen so die Eignung dieses Benzol-Derivats als sogenannten Co-Former für einen potentiellen pharmazeutischen Wirkstoff: Bisdemethoxycurcumin (BDMC), einer der drei Hauptinhaltsstoffe der Kurkuma- oder Gelbwurz-Pflanze. BDMC gilt als ein möglicher Wirkstoff zur Vorbeugung von Alzheimer und Krebs-Erkrankungen. Allerdings ist es sehr wenig 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. So könnte Hydroxyhydrochinon die Wasserlöslichkeit und damit die Bioverfügbarkeit von BDMC erhöhen. 
 

Rund 26.000 Lichtjahre von unserer Sonne entfernt liegt im Zentrum der Milchstraße ein gewaltiges schwarzes Loch. Die Umgebung dieses Sagittarius A* genannten Objekts bietet Wissenschaftler*innen ein einzigartiges Labor, um die physikalischen Gesetze in extrem starken Gravitationsfeldern zu untersuchen. Reinhard Genzel und sein Team vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik erforschen das galaktische Zentrum seit vielen Jahren. Ihr Augenmerk richtet sich unter anderem auf einen Stern namens S2, der das superschwere Massemonster sehr nah und mit hoher Geschwindigkeit umläuft. Mit der präzisen Bahnvermessung von S2 konnten die Astronom*innen 2020 ein Phänomen beweisen, das Albert Einstein bereits in seiner allgemeinen Relativitätstheorie beschreibt: Die elliptische Sternenbahn von S2 bleibt nicht ortsfest im Raum, sondern schreitet gleichsam voran. Immer wenn der Stern sich am nächstgelegenen Punkt zum Schwarzen Loch befindet, ändert er seine Umdrehungsbahn ein wenig. Auf diese Weise zeichnen die Umläufe von S2 die Form einer Rosette, wie sie das Bild veranschaulicht.
 

Corona-Viren wie SARS-CoV-2 tragen auf ihrer Oberfläche weit abstehenden, charakteristische Proteinstrukturen. Diese Spike-Proteine spielen bei der Infektion eine entscheidende Rolle: Um eine Zelle zu befallen, muss das Virus an diese andocken und seine Erbinformation in die Zelle einschleusen. Dazu bindet das Spike-Protein an einen genau passenden Rezeptor auf der Zelloberfläche. Erst dann kann das Virus mit der Zellmembran verschmelzen. Das Spike-Protein ist daher auch ein wichtiger Ansatzpunkt für die Entwicklung von Impfstoffen und Medikamenten gegen Covid-19. Max-Planck-Wissenschaftler*innen haben herausgefunden, dass der „Stiel“ der Spike-Struktur erstaunlich flexibel ist. Dies könnte das Andocken an die Zielzelle erheblich erleichtern. Auch die Ketten aus Zuckermolekülen (hier grün), die die Spike-Proteine vor dem Immunsystem schützen, “flattern“ hin und her und können so eine viel größere Fläche abdecken – ähnlich wie bei einem  Scheibenwischer.
 

In der Natur haben sich verschiedene Bewegungsmechanismen herausgebildet, darunter der Antrieb durch winzige haarähnliche Strukturen. Diese sogenannten Zilien und Geißeln führen peitschenartige Bewegungen aus, um die Fortbewegung zu ermöglichen. Anordnungen von Flimmerzellen mit Zilien auf ihrer Oberfläche arbeiten zusammen, um etwa Schadstoffe aus unseren Atemwegen hinauszubefördern. Nicht zuletzt treibt das regelmäßige Schlagmuster der Flimmerhärchen und Geißeln auch Spermien oder Mikroorganismen wie die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii an. Das Bild zeigt experimentelle Formen einer Geißel, die aus Chlamydomonas reinhardtii isoliert und mit ATP, der universellen Speicherform für Energie in Zellen, reaktiviert wurden. Die etwa ein hundertstel Millimeter kleine isolierte Geißel beginnt zu schwingen und dreht sich im Sichtfeld gegen den Uhrzeigersinn.
 

Viele Feststoffe sind Kristalle, deren Atome oder Moleküle regelmäßige Gitter bilden. Vor allem in Metallen finden sich jedoch oft Bereiche, in denen die Kristallgitter unterschiedliche Ausrichtungen haben. Dies beeinträchtigt die elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Materialforscher*innen züchten daher spezielle Einkristalle, in denen die Kristallebenen überall gleich orientiert sind. Das Bild zeigt einen Schnitt durch einen solchen Vanadium-Einkristall. Die unterschiedlichen Farben geben Bereiche wieder, in denen alle Atome in einer Ebene liegen. Die Höhenunterschiede sind dabei allerdings minimal: Die Stufenhöhe beträgt etwa 0,2 Nanometer. Die Streifen auf den bunten Terrassen entstehen durch Sauerstoffatome, die bei der Aufreinigung des Kristalls an die Oberfläche wandern. Sie bilden eine sogenannte Überstruktur, die viele Defekte aufweist. Forschende machen aus der Not eine Tugend: Sie untersuchen genau diese Defekte, denn manche davon wechselwirken mit dem Vanadiumsubstrat. Indem sie diese Wechselwirkungen in normal- und supraleitenden Substraten vergleichen, gewinnen sie wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Supraleiter.
 

Auch wenn Knochen auf den ersten Blick robust und leblos erscheinen, so bestehen sie doch aus abertausenden von lebenden Zellen und werden dauernd auf- und umgebaut. Dies ist auch der Grund dafür, dass ein Knochenbruch heilen kann. Ein Netz feinster Blutgefäße sorgt dafür, dass die Zellen mit Sauerstoff und Nahrung versorgt werden und ihre Abfallstoffe loswerden. Dieses Geflecht ist weit komplexer als gedacht. Mithilfe neuer bildgebender Verfahren haben Forschende darin zwei ganz unterschiedliche Typen von Gefäßen nachgewiesen: Säulenförmigen Kapillaren führen direkt zur Metaphyse – dem Bereich im Knochen, in dem im jugendlichen Alter das Wachstum stattfindet. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Skelettbildung. Verzweigte Kapillaren liegen im Knochenmark und stehen mit den blutbildenden Stammzellen in Verbindung. Sie sind wichtig für die Produktion von neuen Blutkörperchen. Das Bild zeigt das komplexe Kapillarnetzwerk im Oberschenkelknochen einer drei Wochen alten Maus.
 

Stahl ist einer der vielseitigsten Konstruktionswerkstoffe überhaupt. Da sich seine Eigenschaften durch Umformen, Wärmebehandeln und nicht zuletzt durch geschicktes Legieren – also dem Hinzufügen unterschiedlicher Mengen anderer Elemente – über weite Bereiche beeinflussen lassen, sind heutzutage maßgeschneiderte Sorten für die verschiedensten Anwendungen verfügbar. Hier ist die kristallografische Struktur einer besonderen Variante eines rostfreien Edelstahls zu sehen, der wegen seiner chemischen Beständigkeit sehr häufig in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt wird. Diese Probe wurde im 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Die Farben verdeutlichen die Kristallorientierungen, die maßgeblich die Eigenschaften des Materials beeinflussen.
Bei genauem Hinsehen ist zu erkennen, dass unser Bild durch eine Verdoppelung zustande gekommen ist: Die Darstellung der Messdaten wurde an der Längsachse gespiegelt.

Auch im Leben einer Pflanze hängt viel vom richtigen Timing ab – von der Samenkeimung über das Wachstum bis hin zur Blütenbildung. So können Pflanzen unter anderem die Tageslänge oder die Temperatur messen, um zu einem geeigneten Zeitpunkt von der Wachstumsphase in die Fortpflanzungsphase zu wechseln – mit anderen Worten: zu blühen. Das Bild zeigt, wie sich die Blüten einer Ackerschmalwand, botanisch Arabidopsis thaliana, aus dem kuppelförmigen Gewebe der Sprossspitze entwickeln.
Die Ackerschmalwand ist eine sogenannte Langtagespflanze, die im Frühling blüht. Über ihre Blätter misst die Pflanze die Tageslänge. Ist die Lichtperiode lang genug, wandern Botenstoffe aus den Blättern in die Sprossspitzen und leiten das Blüh-Signal weiter. So stellt die Pflanze sicher, dass die Blüten zum richtigen Zeitpunkt gebildet werden, um Befruchtung, Samenbildung und Arterhaltung zu gewährleisten.
 

Elektrischer Strom ist physikalisch gesehen die Bewegung von Elektronen durch ein leitfähiges Material. Für gewöhnlich fließen die Elektronen dabei in Richtung der Kraft, die auf sie wirkt. Nicht so in sogenannten topologischen Materialien. Hier nehmen Elektronen eine verdrehte Welt wahr: statt geradeaus bewegen sie sich senkrecht zur angelegten Spannung. Meist wird dieser besondere Zustand – das Material verhält sich nun in seinem Inneren wie ein elektrischer Isolator, während es gleichzeitig an seinem Rand eine nahezu widerstandsfreie Leitfähigkeit aufweist – durch das Anlegen starker Magnetfelder erzeugt. In Graphen, einer einzelnen Lage aus Kohlenstoffatomen, kann dieser Effekt auch durch zirkular polarisiertes Licht hervorgerufen werden. Das Bild zeigt die durch das Laserlicht veränderte Bandstruktur des Graphens. Die Bandstruktur beschreibt die elektronische Struktur eines Materials und gibt Aufschluss über deren Eigenschaften. Sobald der Laserpuls vorbei ist, kehrt das Graphen wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Dieser Effekt könnte beispielsweise bei der Entwicklung neuerer Sensoren oder Rechner eine wichtige Rolle spielen.
 

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

Schwarze Löcher verschlucken alles Licht und sind daher unsichtbar. Zwar können sie indirekt nachgewiesen werden – zum Beispiel durch ihre Wirkung als Gravitationslinsen – aber ein schwarzes Loch direkt abzubilden, sollte eigentlich unmöglich sein. Und doch ist es Forschern in einer weltweiten Kooperation nun gelungen, ein schwarzes Loch zu fotografieren. Das hierfür erforderliche Teleskop muss rein rechnerisch eine Größe haben, die nahezu dem Durchmesser der Erde entspricht. Um dies zu erreichen, haben die Wissenschaftler acht auflösungsstarke Radioteleskope rund um den Globus zu einem virtuellen Teleskop, dem Event Horizon Telescope, zusammengefasst. Die Signale der einzelnen Antennen wurden dabei nanosekundengenau überlagert. Aus einer nahezu unvorstellbar großen Menge an Messdaten errechneten die Astronomen schließlich dieses Bild. Es zeigt das besonders massereiche schwarze Loch im Zentrum von M 87, einer elliptischen Riesengalaxie im Virgo-Galaxienhaufen.

Der Echte Mehltau (Golovinomyces orontii), ein Pflanzenschädling aus der Gruppe der Schlauchpilze, bildet ein fädiges Pilzgeflecht auf den Blättern seiner Wirtspflanze, hier der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Die aus diesem Myzel hervorragenden Sporenträger entwickeln an ihrer Spitze Stapel von Sporen, die vom Wind verbreitet werden. Manche Ackerschmalwand-Exemplare verfügen über Gene, die es ihnen ermöglichen, sich gegen den Pilz zu wehren. Doch diese Abwehrmechanismen kosten die Pflanze viel Energie. Deshalb sind die resistenten Pflanzen kleiner und produzieren weniger Nachkommen. Auch im Pflanzenreich gilt also: Es gibt nichts umsonst!

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.

Dunkle Materie ist nicht sichtbar, sie sendet keinerlei Strahlung aus, aber dennoch existiert sie. So zieht ihre Gravitation andere, gewöhnliche Materie an. Um den Aufbau des Universums besser zu verstehen, nutzen Wissenschaftler extrem komplexe Computersimulationen: Hier haben sie einen Supercomputer mit Daten vom Anfangszustand des Kosmos „gefüttert“ und ihn dann die Evolution des Alls berechnen lassen. In einer Rechenzeit von rund zwei Monaten entstand ein würfelförmiger Ausschnitt des Universums mit einer Kantenlänge von etwa einer Milliarde Lichtjahren. In ihm zeichnet sich die großräumige Struktur des Universums als blaues Geflecht aus Gas und Sternen ab. Dieses leuchtende Netz spiegelt das darunterliegende „Rückgrat“ aus gelblichweiß dargestellter dunkler Materie wider, aus dem ungefähr ein Viertel des Weltalls besteht.

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 platzen und dabei faserige Strukturen wie ein Netz auswerfen (hier gelbgrün), mit dem sie die 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Mit der Zellhülle interagieren zahlreiche 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.

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.

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 – obwohl dort die Felder eigentlich stark genug sein sollten, um Strömungen zu unterbinden und diese Bereiche daher dunkler erscheinen müssten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung konnten jedoch nachweisen, dass die Magnetfelder hier stellenweise gelockert sind. Es bilden sich daher langgezogene helle Strukturen aus, in denen trotz hoher Feldstärken energiereiches Plasma an die Oberfläche gelangen kann.

Der kleine, auch ausgewachsen nur rund fünf Zentimeter lange Zebrafisch (Danio rerio) ist ein beliebter Modellorganismus in der Entwicklungsbiologie. Denn viele seiner Gene und auch viele der Signalwege, die die Ausbildung von Geweben und Organen steuern, stimmen mit denen des Menschen überein. Ebenfalls wichtig für die Forschung: Die Fischchen sind gut zu halten und entwickeln sich sehr schnell. In nur drei Monaten wächst eine befruchtete Zebrafisch-Eizelle zu einem geschlechtsreifen Tier heran. Das Bild 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.

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.

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.

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.

Um die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern und gasförmigen Proben zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler die Fotoelektronen- und Fotoionenspektroskopie: Energiereiches Licht kann Elektronen aus Materie schlagen. Deren Flugbahn und Geschwindigkeit verraten Wissenschaftlern dann viel über 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 dann gasförmig als Wolke entweicht.

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.

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).
 

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.
 

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.

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.