Fr, 03.05.2024 — Ricki Lewis

Hinweise auf die Bekämpfung einer verheerenden Krankheit können sich aus der Identifizierung von Menschen ergeben, die Genvarianten - Mutationen - haben, die sie schützen, indem sie die Krankheit verlangsamen oder überhaupt das Risiko ihrer Entstehung verringern. Wenn wir verstehen, wie sie dies tun, können wir Behandlungsstrategien für die gesamte Patientenpopulation entwickeln. Die Genetikerin Ricki Lewis berichtet über seltene Varianten von drei bereits gut untersuchten Genen - APOE-Cristchurch, Reelin und Fibronektin -, die vererbte Formen der Alzheimer-Krankheit zu verzögern scheinen - und zwar um Jahrzehnte. *

Gen Nr. 1: Der berühmte Fall der aus einer kolumbianischen Familie stammenden Aliria

Im Jahr 2019 berichteten Forscher über die Patientin Aliria Rosa Piedrahita de Villegas, die dank einer Variante eines zweiten, offenbar schützenden Gens die früh einsetzende familiäre Alzheimer-Krankheit abgewehrt zu haben schien. Der Bericht erschien in Nature Medicine [1].

Aliria gehört zu einer 6 000 Mitglieder zählenden Familie in Kolumbien, die dafür bekannt ist, dass viele Menschen im Alter von etwa 44 Jahren Symptome von Alzheimer zeigen, die verdächtige Anhäufung von Amyloid-Beta-Protein aber bereits in ihren Zwanzigern auftrat. Etwa die Hälfte der Familie ist davon betroffen. Sie haben eine Variante des Presenilin-1-Gens (PSEN1 E280A), die für etwa 70 Prozent der Fälle von früh einsetzender Alzheimer-Krankheit verantwortlich ist. Aliria hat die Variante geerbt, doch bei ihr setzte der kognitive Abbau erst im Alter von 72 Jahren ein.

"Unsere Arbeit mit dieser Familie ermöglicht es uns, die frühesten Veränderungen, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden, zu verfolgen und festzustellen, wie diese Veränderungen im Laufe der Zeit ablaufen. Dies wird uns helfen, über die Menschen in Kolumbien hinaus festzustellen, wer gefährdet und wer resistenter gegen Alzheimer ist, und zu lernen, welche Biomarker das Fortschreiten der Krankheit besser vorhersagen können", erklärte Dr. Yakeel T. Quiroz vom Massachusetts General Hospital gegenüber der Alzheimer's Association. Dort wurden bei dieser speziellen Patientin Hirnscans durchgeführt, die die für die Krankheit charakteristischen sehr hohen Konzentrationen von Amyloid-Beta-Protein-Plaques aufzeigten.

Aber was genau hat Aliria geschützt?

Sie hatte auch zwei Kopien der Christchurch-Mutation geerbt, einer seltenen Variante desApolipoprotein E (APOE)-Gens, benannt nach dem Ort, an dem es in Neuseeland entdeckt wurde. Die Christchurch-Genvariante verringert die Dichte der Tau-Fibrillen (Tangles), der anderen Art von Protein, das im Alzheimer-Gehirn aggregiert. Abbildung 1.

Abbildung 1 Stliisierte Darstellung der Amyloid-beta-Plaques (braun) im extrazellulären Raum zwischen den Neuronen und den Tau-Protein Knäueln (blau) in den Neuronen.

Kürzlich haben Forscher der Washington University School of Medicine mit genetisch veränderten "humanisierten" Mäusen gezeigt, dass die Christchurch-Mutation die Wechselwirkung zwischen Amyloid-Beta und Tau unterbindet.

"Wenn Menschen altern, beginnen viele eine Amyloid-Anhäufung im Gehirn zu entwickeln. Anfangs bleiben sie kognitiv unauffällig. Nach vielen Jahren jedoch beginnt die Amyloidablagerung zu einer Anhäufung des Tau-Proteins zu führen. Wenn dies geschieht, kommt es bald zu kognitiven Beeinträchtigungen. Wenn wir einen Weg finden, die Auswirkungen der APOE-Christchurch-Mutation zu imitieren, können wir vielleicht verhindern, dass Menschen, die bereits auf dem Weg zur Alzheimer-Demenz sind, diesen Weg weiter fortsetzen", erklärt Dr. David M. Holtzman von der Universität Washington.

Könnte auf therapeutischem Weg die Bildung von Amyloid-Beta-Plaques von der Ablagerung von Tau-Fibrillen entkoppelt werden?

Das war's, was die Forscher herausfinden wollten, die nun ihre Ergebnisse im Januar 2024 in der Zeitschrift Cell veröffentlichten [2]. Der Übergang von der Amyloidbildung zur Wechselwirkung mit Tau-Protein ist kritisch und noch wenig verstanden. Der Fall von Aliria könnte hier zur Klöärung beitragen.

"Der Fall dieser Frau war sehr, sehr ungewöhnlich, da sie die Amyloid-Pathologie aufwies, aber kaum eine Tau-Pathologie und nur sehr leichte kognitive Symptome, die erst spät auftraten. Das legte uns nahe, dass sie Hinweise auf die Verbindung zwischen Amyloid und Tau bieten könnte", so Holtzman.

Allerdings: Aliria ist ein Einzelfall; weltweit die einzige Person, von der man weiß, dass sie die beiden Mutationen aufweist. Haben diese tatsächlich zusammengewirkt, oder ist ihr ungewöhnlicher , offensichtlich vor Alzheimer schützender Genotyp nur ein Zufall?

Um dieses Rätsel zu lösen, setzte das Team um Holtzman genetisch manipulierte Mäuse ein, die übermäßig viel Amyloid produzierten und dazu auch die menschliche Christchurch-Mutation aufwiesen. Dann injizierten sie menschliches Tau-Protein in die Gehirne der Mäuse. Da die Gehirne der Mäuse bereits voller Amyloid-"Keime" waren, hätten sich die Tau-Knäuel an den Injektionsstellen festsetzen und dann auf andere Hirnregionen ausbreiten müssen - aber das taten sie nicht. Es wurde nur sehr wenig Tau inmitten des reichlich vorhandenen Amyloids gefunden, das die Gehirne erstickte - es war ein Modell für Alirias zufällige Doppelmutation.

Die Mäuse zeigten auf, wie die Christchurch-Mutation schützend wirkte, nämlich durch die Aktivität der Mikroglia, die als Abfallbeseitigungszellen des Gehirns fungieren. Mikroglia sammeln sich um Amyloid-Plaques auf Gehirnzellen. Bei Alzheimer-Mäusen mit der APOE-Christchurch-Mutation liefen die Mikroglia, die die Amyloid-Plaques umgaben, auf Hochtouren, um die Tau-Aggregate zu verschlingen und zu zerstören.

"Diese Mikroglia nehmen das Tau auf und bauen es ab, bevor sich die Tau-Pathologie wirksam auf die nächste Zelle ausbreiten kann. Ohne Tau-Pathologie kommt es nicht zu Neurodegeneration, Atrophie und kognitiven Problemen. Wenn wir die Wirkung der Mutation nachahmen können, könnten wir die Amyloid-Ansammlung unschädlich machen oder zumindest viel weniger schädlich machen und die Menschen vor der Entwicklung kognitiver Beeinträchtigungen schützen", so Holtzman.

Gen Nr. 2: Reelin

Die Forscher, die die große kolumbianische Familie untersuchten, zu der auch Aliria gehört, beschrieben in der Zeitschrift Nature Medicine vom 15. Mai 2023 "den weltweit zweiten Fall mit nachgewiesener extremer Resilienz gegenüber der autosomal dominanten Alzheimer-Krankheit". Wie Aliria behielt der Mann seine kognitiven Fähigkeiten bis zum Alter von 67 Jahren, obwohl er die starke PSEN1 E280A-Mutation hatte, die eine sehr früh einsetzende Alzheimer-Krankheit verursacht.

Im Alter von 73 Jahren zeigten Neuroimaging-Untersuchungen höhere Werte von Amyloid-Beta-Plaques als bei anderen Familienmitgliedern mit der Alzheimer-Mutation. Und obwohl sein Gehirn auch Tau-Knäuel aufwies, war der entorhinale Kortex - ein Gedächtniszentrum - vergleichsweise frei von Tau. Vielleicht ermöglichte diese ungewöhnliche Verteilung, dass seine kognitiven Fähigkeiten trotz des Ertränkens in Amyloid-Beta erhalten blieben.

Aber er hatte nicht die Christchurch-Mutation von Aliria.

Stattdessen wurde der Mann offenbar durch eine seltene Variante eines anderen Gens, RELN, geschützt, das für das Protein Reelin kodiert. Dabei handelt es sich um ein gut untersuchtes Signalprotein, das bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen wie Schizophrenie, bipolarer Störung und Autismus-Spektrum-Störung eine Rolle spielt.

In Experimenten mit Mäusen zeigten die Forscher, dass diese Form von Reelin eine Gain-of-Function-Mutation ist, d.i. eine verbesserte Funktion im Vergleich zur häufigeren Variante des Gens besitzt. Wie Apolipoprotein E (APOE) bindet Reelin an Rezeptoren auf bestimmten Lipoproteinen, die Cholesterin transportieren. Dadurch wird die Aktivierung von Tau verringert, was offenbar das empfindliche Gleichgewicht zwischen Amyloid-Beta und Tau auf eine Weise stört, die die Alzheimer-Krankheit verlangsamt.

Gen Nr. 3: Veränderung von Fibronektin an der Blut-Hirn-Schranke

In jüngster Zeit haben sich Forscher der Columbia University auf eine andere, offenbar schützende Variante eins Gens konzentriert, das für das Protein Fibronektin kodiert. Es ist im gesunden Gehirn in nur sehr geringen Mengen vorhanden, eine hohe Konzentration wird aber mit einem erhöhten Risiko für die Entstehung von Alzheimer in Verbindung gebracht.

Fibronektin ist in die Blut-Hirn-Schranke eingebettet. Dieses 400 Meilen lange Labyrinth aus Kapillaren, den kleinsten Blutgefäßen, windet sich durch die Neuronen und Gliazellen, die die empfindliche Hirnsubstanz bilden.

Die aus einer einzelnen Zellschichte bestehenden Kapillarwände, das so genannte Endothel, bilden eine Auskleidung, die normalerweise so dicht gepackt ist, dass sie Giftstoffe aus dem Blutkreislauf fernhält, aber lebenswichtige Stoffe wie Sauerstoff ins Gehirn eintreten lässt. Die Schranke mildert auch biochemische Fluktuationen, die das Gehirn überfordern würden, wenn es ständig reagieren müsste, und überwacht den Gehalt an Neurotransmittern.

Zu verstehen, wie die Blut-Hirn-Schranke funktioniert, ist zentrales Thema der Arzneimittel-Forschung bei neurologischen Erkrankungen.

Aus Untersuchungen an Zebrafischen und Mausmodellen der Alzheimer-Krankheit haben die Forscher entdeckt, dass eine Variante des Fibronektin-Gens die Anhäufung von Fibronektin an der Blut-Hirn-Schranke verhindert. Überschüssiges Amyloid-Beta kann dann aus dem Gehirn in den Blutkreislauf eintreten, was das Risiko, an Alzheimer zu erkranken, verringert, so die Forscher. Ihre Forschungsergebnisse sind in Acta Neuropathologica [4] veröffentlicht.

Caghan Kizil, PhD, erklärt die Ergebnisse: "Die Alzheimer-Krankheit beginnt zwar mit Amyloid-Ablagerungen im Gehirn, aber die Krankheitsmanifestationen sind das Ergebnis von Veränderungen, die nach dem Auftreten der Ablagerungen stattfinden. Überschüssiges Fibronektin könnte die Beseitigung von Amyloidablagerungen im Gehirn verhindern. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige dieser Veränderungen in den Blutgefäßen des Gehirns stattfinden und dass wir in der Lage sein könnten, neue Arten von Therapien zu entwickeln, die die schützende Wirkung des Gens nachahmen, um die Krankheit zu verhindern oder zu behandeln."

Diese Strategie unterscheidet sich von einem direkten Angriff auf die Amyloid-Ablagerungen und einer verbesserten Beseitigung, die zu gering ausfallen und zu spät kommen dürften. "Wir müssen möglicherweise viel früher mit der Beseitigung von Amyloid beginnen, und wir glauben, dass dies über den Blutkreislauf geschehen kann. Deshalb freuen wir uns über die Entdeckung dieser Fibronektin-Variante, die ein gutes Target für die Entwicklung von Medikamenten sein könnte", so Richard Mayeux, Koautor der Studie.

Nachdem die Forscher die Folgen einer Senkung des Fibronektins in Zebrafischen und Mäusen nachgewiesen hatten, haben sie das Protein bei Menschen untersucht, die eine Variante des APOE-Gens, das mit Alzheimer assoziierte APOEε4 geerbt haben, aber lange leben. Hat eine Variante des Fibronektin-Gens sie geschützt?

Um das herauszufinden, haben die Columbia-Forscher die Genome von mehreren hundert Personen mit APOEε4 untersucht, die älter als 70 Jahre und unterschiedlicher Herkunft waren. Einige von ihnen waren bereits an Alzheimer erkankt.

Abbildung 2 Die funktionell inaktive Fibronektin1-Variante schützt vor Alzheimer - Schematische Darstellung. Links: Situation im "normalen" Gehirn. Mit Apolipoprotein Eε4 (APOEε4 ) und nur geringen Mengen an Fibronektin werden Amyloid-Aggregate (Plaques) effizient von Microglia-Zellen abgebaut und die entstandenen Produkte über die Blut-Hirn-Schranke eliminiert ("Clearance"). Mitte: Situation bei Alzheimer - Genotyp APOEε4 zusammen mit einem Zuviel an Fibronektin. Fibronektin lagert sich in der Blut-Hirnschranke an und führt zu deren Verdickung. Abbau von Plaques und Eliminierung von Amyloidprodukten brechen zusammen, Neuronen werden geschädigt ("Synaptic Degeneration"). Rechts: Die funktionell inaktive ("Loss of Function") Fibronektin-Variante lagert sich nicht an der Blut-Hirn-Schranke ab. Die Eliminierung von Amyloidprodukten kann erfolgen. Die Bildung von Amyloid-Plaques erfolgt in reduziertem Ausmaß/verzögert. (Bild von der Redaktion eingefügt aus: Bhattarai, P et al., [4], https://doi.org/10.1007/s00401-024-02721-1 und leicht modifiziert. Lizenz: cc-by.)

"Von den noch nicht erkrankten (resiliente)n Menschen können wir viel über die Krankheit erfahren und darüber, welche genetischen und nicht-genetischen Faktoren einen Schutz davor bieten könnten", sagt Badri N. Vardarajan, PhD, ein Coautor der Studie. Offensichtlich wirkt eine Variante des Fibronektin-Gens schützend.

Als die Forscher den Preprint ihrer Ergebnisse veröffentlichten, haben andere Teams Daten aus anderen Bevölkerungsgruppen hinzugefügt, die diesen Zusammenhang stützten: Fibronektin schützt. Die Daten von mehr als 11 000 Personen zeigten, dass die Mutation die Wahrscheinlichkeit, an Alzheimer zu erkranken, bei APOEε4 -Trägern um 71 % verringert und den Ausbruch der Krankheit bei denjenigen, die sie entwickeln, um etwa vier Jahre verzögert. Abbildung 2.

Nur etwa 1 bis 3 Prozent der APOEε4 -Träger in den USA besitzen auch die schützende Fibronektin-Mutation, das sind immerhin 200.000 bis 620.000 Menschen, schätzen die Forscher. Dieser angeborene Schutzschild könnte die Forschung inspirieren und zur Entwicklung neuer Medikamente führen, die noch viel mehr Menschen helfen könnten.

Kizil fasst zusammen: "Es gibt einen signifikanten Unterschied im Fibronektinspiegel in der Blut-Hirn-Schranke zwischen kognitiv gesunden Menschen und Alzheimer-Patienten, unabhängig von ihrem APOEε4 -Status. Alles, was überschüssiges Fibronektin reduziert, sollte einen gewissen Schutz bieten, und ein Medikament, das dies tut, könnte ein bedeutender Fortschritt im Kampf gegen diese zehrende Krankheit sein."

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[1] Arboleda-Velasquez JF et al., Resistance to autosomal dominant Alzheimer's disease in an APOE3 Christchurch homozygote: a case report. Nat Med. 2019 Nov;25(11):1680-1683. DOI: 10.1038/s41591-019-0611-3

[2] Chen Y et al., APOE3ch alters microglial response and suppresses Aβ-induced tau seeding and spread. Cell. 2024 Jan 18;187(2):428-445.e20. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.029

[3] Lopera F. et al., Resilience to autosomal dominant Alzheimer’s disease in a Reelin-COLBOS heterozygous man. Nat Med 29, 1243–1252 (2023). https://doi.org/10.1038/s41591-023-02318-3

[4] Bhattarai, P., Gunasekaran, T.I., Belloy, M.E. et al. Rare genetic variation in fibronectin 1 (FN1) protects against APOEε4 in Alzheimer’s disease. Acta Neuropathol 147, 70 (2024). https://doi.org/10.1007/s00401-024-02721-1.

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 * Der Artikel ist erstmals am 18. April 2024 in PLOS Blogs - DNA Science Blog unter dem Titel "Mutations in Three Genes Protect Against Alzheimer’s"  https://dnascience.plos.org/2024/04/18/mutations-in-three-genes-protect-against-alzheimers/ erschienen und steht unter einer cc-by Lizenz. Die Autorin hat sich freundlicherweise mit der Übersetzung ihrer Artikel durch ScienceBlog.at einverstanden erklärt, welche so genau wie möglich der englischen Fassung folgt. Abbildung 2 plus Text wurden von der Redaktion aus der zitierten Publikation [4] eingefügt.

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Im ScienceBlog: Zur Blut-Hirn-Schranke

Inge Schuster, 12.02.2024: Zur Drainage des Gehirngewebes über ein Netzwerk von Lymphgefäßen im Nasen-Rachenraum

Redaktion, 06.02.2020:Eine Schranke in unserem Gehirn stoppt das Eindringen von Medikamenten. Wie lässt sich diese Schranke überwinden?

Redaktion, 10.10.2017: Ein neues Kapitel in der Hirnforschung: das menschliche Gehirn kann Abfallprodukte über ein Lymphsystem entsorgen.

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Do, 25.04.2024 — Redaktion

Es ist unbestreitbar, dass menschliche Aktivitäten vor allem in den letzten 70 Jahren Klima, Natur, Erdoberfläche und damit die Bewohnbarkeit des Planeten für alle seine derzeit und künftig lebenden Organismen in negativem Sinne verändert haben. Ist damit das Anthropozän, ein neues "Zeitalter des Menschen" angebrochen? Die International Union of Geological Sciences hat 2009 eine Arbeitsgruppe eingerichtet, die prüfen sollte, ob das Anthropozän als neue formale erdgeschichtliche Epoche etabliert werden sollte. Nach eingehender Prüfung lagen 2023 genügend geologisch-stratigrafische Argumente für eine Anerkennung vor. Die Anerkennung sollte auch eine Perspektive implizieren, um mit der bereits drastisch veränderten Welt umzugehen. Dass ein Gutachtergremium im März 2024 entschied die Anerkennung abzulehnen, hat den Protest der Anthropozän-Arbeitsgruppe ausgelöst. Unter Federführung ihrer Vorsitzenden Jan Zalasiewicz (University of Leicester) und Scott Wing (Smithsonian Institution, Washington) hat die Arbeitsgruppe einen Artikel im Smithsonian Magazine verfasst, in dem zehn Trugschlüsse (Mythen) angesprochen werden, die herunter spielen, wie drastisch die Erde in den letzten Jahrzehnten verändert wurde.*

Der Begriff der Anthropozän-Epoche

entstand im Februar 2000 aus einer spontanen Eingebung heraus. Der Chemiker und Nobelpreisträger Paul Crutzen hatte auf einer Tagung des International Geosphere-Biosphere Programme in Mexiko den Vorträgen zugehört. Den ganzen Tag über hatten Wissenschaftler Daten präsentiert, die zeigten, wie sich die vom Menschen verursachten Veränderungen des Klimas, der chemischen Zyklen und der Biologie der letzten Jahrzehnte auf krasse Weise von der relativen Stabilität des Holozäns, der geologischen Epoche, die vor 11.700 Jahren begann, unterschieden. Sie verwiesen immer wieder auf die bemerkenswert schnellen Umweltveränderungen des späten Holozäns.

Entnervt schaltete sich Crutzen schließlich in die Diskussion ein: "Wir befinden uns nicht mehr im Holozän, sondern im ... Anthropozän!" Die improvisierte Bezeichnung setzte sich unter Geowissenschaftlern schnell als grundlegendes Konzept durch, und in den letzten zehn Jahren hat sich das Wort auch in anderen Wissenschaften, der Kunst, den Geisteswissenschaften und der Populärkultur verbreitet.

Im Laufe der Zeit hat "Anthropozän" viele Bedeutungen und Schlussfolgerungen erhalten, die nichts mit Crutzens ursprünglichem Begriff zu tun haben oder ihm sogar widersprechen, so dass seine ursprüngliche Bedeutung verschwommen und manchmal sogar völlig unklar wurde. Was aber hat Crutzen mit dem Anthropozän gemeint, einem Konzept, das durch jahrelange wissenschaftliche Studien verbessert und verfeinert wurde?

Es ist ganz einfach. Sieht man sich Diagramme an, die die Entwicklung der drei wichtigsten Treibhausgase und der globalen Temperatur in den letzten 30 Jahrtausenden aufzeigen, so steilt der Übergang vom Holozän zum Anthropozän wie eine Mauer auf. Alle vier kritischen planetarischen Parameter haben sich in den letzten 70 Jahren von nahezu horizontalen zu nahezu vertikalen Linien verschoben (Abbildung 1). Die Grafiken sind einfach, aber sie zeigen Veränderungen in der Atmosphärenchemie und - mit etwas Verspätung - in der Temperatur, die sich auf die Bewohnbarkeit des Planeten für alle seine Organismen, einschließlich des Menschen, auswirken. Auf einer Zeitskala von Jahrtausenden ähneln die Verschiebungen weniger einem Hockeyschläger als vielmehr einer Treppenstufe. Überdies betreffen diese Veränderungen die gesamte Atmosphäre und die Ozeane, so dass sie auf einer menschlichen Zeitskala im Grunde unumkehrbar sind. Künftige Generationen werden noch mit den planetarischen Veränderungen leben, welche die Menschen in einem einzigen Leben verursacht haben.

Abbildung 1. Die enormen Auswirkungen des Menschen auf die Atmosphäre lässt sich an der Konzentration dreier wichtiger Treibhausgase ablesen: Distickstoffoxid, Methan und Kohlendioxid. Diese Gase haben in den letzten 70 Jahren viel stärker zugenommen als in den vorangegangenen 30.000 oder mehr Jahren. Infolgedessen ist die globale Temperatur in die Höhe geschnellt, und sie wird weiter ansteigen, wenn die Auswirkungen der höheren Treibhausgaskonzentration voll zum Tragen kommen. Martin Kopf

Betrachten wir nur die letzten 300 Jahre auf der Zeitachse,

d.i. über zehn menschliche Generationen gehend, so sehen wir bemerkenswert große und schnelle Veränderungen bei einer ganzen Reihe von Faktoren, welche die Auswirkungen des Menschen auf globaler Ebene kennzeichnen: Es sind nicht nur die Kohlenstoffemissionen, sondern auch die Produktion von Metallen, Kunststoffen, Düngemitteln, Beton und Nutztieren und sogar eine gigantische Zunahme der ultimativen geologischen Währung, den Sedimenten. Abbildung 2. Die Menge an Ablagerungen, die der Mensch jedes Jahr mobilisiert, übersteigt inzwischen die Menge der durch nicht-menschliche Prozesse mobilisierten Sedimente um das 15-fache.

Wenn wir den Zeitrahmen so einengen, sehen wir, dass die globalen Veränderungen ab Mitte des 20 Jahrhunderts besonders rasch erfolgen.

Die Anthropozän-Arbeitsgruppe,

ein Gremium von 34 Wissenschaftlern aus 14 Ländern, das 2009 von der Internationalen Kommission für Stratigraphie eingesetzt wurde, schlug vor, den Beginn einer neuen Anthropozän-Epoche auf das Jahr 1952 zu legen, als die Sedimente weltweit durch den ersten größeren Anstieg des Elements Plutonium gekennzeichnet wurden, das aus den ersten Tests mit thermonuklearen Waffen stammt.

Abbildung 2. Wissenschaftler schlugen vor, eine neue geologische Epoche - das Anthropozän - anzuerkennen, das durch sehr rasche Veränderungen ab Mitte des 20. Jahrhunderts gekennzeichnet ist. Die in den letzten 70 Jahren abgelagerten Sedimente sind durch eine Fülle künstlicher Materialien wie Beton, Metalle, Kunststoffe und Düngemittel gekennzeichnet. Auch die Ökosysteme haben sich durch den starken Anstieg der Düngemittelproduktion (Ammoniak) und der Viehzucht (Fleischproduktion) verändert. Auch der Mensch ist ein enormer Produzent von Sedimenten. Colin Waters

Mit dem Vorschlag einer formellen, geologisch definierten Epoche des Anthropozäns wollte die Arbeitsgruppe eine genaue Definition für diesen jüngsten, großen, dauerhaften und raschen Übergang in den physikalischen, chemischen und biologischen Systemen der Erde liefern.

Der Vorschlag wurde von der internationalen Hierarchie der Stratigraphie, zu der auch die International Commission on Stratigraphy gehört, ohne Angabe von Gründen abgelehnt, aber die meiste öffentliche Kritik am Anthropozän kommt aus verschiedenen Quellen: von der Geologie bis hin zu den Sozial- und Geisteswissenschaften.

In vielen Disziplinen hat das Anthropozän einen Nerv getroffen - und oft auch verletzt: manchmal als Bauchgefühl auf eine beunruhigende neue Idee, manchmal mit Unbehagen angesichts ungewohnter gesellschaftspolitischer Implikationen.  Aus welchen Gründen auch immer, das Anthropozän geriet unter Beschuss.

Das Sperrfeuer der Kritik konzentrierte sich jedoch häufig auf das, was das Anthropozän nicht ist, anstatt auf das, was es ist. Grundlegende Missverständnisse rund um das Konzept vernebeln seine Bedeutung.

Im Folgenden räumen wir mit zehn gängigen Mythen über das Anthropozän auf.

1. Das Anthropozän bildet nicht alle menschlichen Einflüsse ab.

Das ist zwar richtig, geht aber völlig an der Sache vorbei. Die Anerkennung eines Anthropozäns unterschlägt keineswegs die Auswirkungen, die der Mensch seit vielen Jahrtausenden durch die Jagd, den Ackerbau und den Bau von Städten und Handelsnetzen verursacht hat. Aber diese frühen Auswirkungen waren nicht global, liefen nicht synchron auf dem Planeten ab und haben die globale Umwelt nicht dauerhaft verändert. Der Grund für die Benennung einer neuen geologischen Epoche, sowohl in Crutzens ursprünglicher Formulierung als auch in dem sehr detaillierten Vorschlag der Arbeitsgruppe, besteht darin, den Abschied der Erde und ihrer Bewohner von dem stabilen System des Planeten im Holozän zu markieren. Die Epoche des Anthropozäns war nie dazu gedacht, alle anthropogenen Einflüsse zu erfassen.

2. Das Anthropozän ist zu kurz, um eine geologische Epoche zu sein - nur ein Menschenleben.

Die Dauer des Anthropozäns ist kurz, soweit stimmt das. Aber es ist das Holozän, das den größten Unterschied in der Dauer zu anderen Epochen aufweist: fast drei Größenordnungen (11 700 Jahre verglichen mit 2,57 Millionen Jahren für das voran gegangene Pleistozän). Der Unterschied in der Dauer zwischen Holozän und Anthropozän ist proportional geringer, und das Anthropozän stellt eine weitaus bedeutendere und dauerhaftere Veränderung des Planeten dar als das Holozän.

3. Das Anthropozän ist nur ein Augenblick in der Erdgeschichte.

Oder, wie die New York Times schreibt, nennt es ein ranghohes Mitglied der geologischen Zeitskala "ein Augenblick von einem Augenblick von einem Augenblick ". Was diese Sichtweise verkennt, ist, dass diese rund 70 Jahre den Planeten grundlegend verändert und eine neue Bahn einschlagen haben lassen. Schon jetzt sind viele geologische Anzeichen deutlicher und ebenso ausgeprägt wie die plötzliche Freisetzung von Kohlenstoff und die globale Erwärmung, die das Eozän vor 56 Millionen Jahren auslöste.

Man denke nur an die Klimaauswirkungen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, von denen 90 Prozent in den letzten 70 Jahren verbrannt wurden. Diese Auswirkungen werden sich zumindest noch viele tausend Jahre lang über den Planeten breiten. Wir und viele künftige Generationen sind auf ein Klima festgelegt, das sich von dem des Holozäns unterscheidet. Das bereits in der Atmosphäre befindliche Kohlendioxid wird die Erde heißer machen, als sie es seit mindestens 3 Millionen Jahren war. Viele der biologischen Veränderungen der letzten 70 Jahre sind ebenfalls von Dauer: zweifellos das Aussterben von Arten, aber auch die Ausbreitung vieler Arten durch beabsichtigte und unbeabsichtigte Beihilfe des Menschen, mit einer weltweit veränderten Fauna und Flora als Folge. Die Biosphäre hat sich für immer verändert. Das ist keine Eintagsfliege.

4. Anthropozän-Schichten sind "minimal" oder "vernachlässigbar".

Abbildung 3. Touristen blicken auf den Hoover-Damm hinunter. Die Menge an Sedimenten, die sich hinter den Tausenden von großen Staudämmen der Welt ablagert, würde ganz Kalifornien bis zu einer Tiefe von fünf Metern bedecken. Robert Nickelsberg / Getty Images

Das ist ein recht geologischer Einwand - aber er ist falsch. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts hat der Mensch die Landschaft in ungeheurer Weise umgestaltet und Gestein und Sediment bewegt (inzwischen um mehr als eine Größenordnung mehr, als natürliche Sedimentverschieber wie Gletscher und Flüsse). Die Menge an Sedimenten, die sich hinter den Tausenden von großen Staudämmen auf der Welt abgesetzt hat, würde ganz Kalifornien bis zu einer Tiefe von fünf Metern bedecken (Abbildung 3), und diese Sedimente sind voll von charakteristischen Merkmalen wie Pestizidrückständen, Metallen, Mikroplastik und Fossilien von invasiven Arten. Um einen Zeitraum formal zu definieren, müssen Geologen charakteristische Marker in Sedimenten oder Gesteinen identifizieren, die sich weltweit zuordnen lassen - das Vorhandensein solcher Marker ist überall vorhanden. Abbildung 4. Die Geologie ist real.

Abbildung 4. Plastikmüll sammelt sich nach einem Regenschauer in der Nähe von Culver City, Kalifornien. Mikroplastik, das aus solchen Ablagerungen entsteht, findet sich oft im Sediment. Citizen of the Planet / UIG via Getty Images

5. Die geologische Erfassung ist zu komplex und abgestuft, um eine einzige Grenze für das Anthropozän zu ziehen.

Die gesamte Geschichte (der Erde und des Menschen) ist komplex, verläuft stufenweise und variiert über Zeit und Raum. Dennoch legen Geologen Epochen fest, weil solche Zeiteinheiten für ihre Arbeit nützlich, ja unverzichtbar sind. In der Geologie wird jede Zeiteinheit durch einen "Goldenen Nagel"(Golden Spike)  genau definiert - eine bestimmte Schichte in einer Sedimentabfolge an einem bestimmten Ort, der ausgewählt wird, weil er mit anderen Sedimentabfolgen rund um den Globus korreliert werden kann. Dieser Goldene Nagel identifiziert eine globale Zeitebene, aber der planetarische Übergang, der die Platzierung eines Goldenen Nagel motiviert, kann alles andere als einfach sein.

Die letzte Eiszeit des Pleistozäns wich im Laufe von etwa 13 000 Jahren holozänen interglazialen Bedingungen - und verlief auf der Nord- und Südhalbkugel unterschiedlich. Dennoch wird die definierte Holozän-Grenze innerhalb dieses Übergangs, die vor 11.700 Jahren lag, ohne Beanstandung akzeptiert und verwendet. Der Übergang vom Holozän zum Anthropozän ist viel schärfer und global synchroner und daher leichter zu definieren und zu erkennen.

6. Andere Tiere haben die Umwelt beeinflusst und geologische Veränderungen verursacht, das Anthropozän ist also nichts Besonderes.

Andere Tiere haben tatsächlich die Umwelt verändert, aber das kann bei der Erkennung von geologischen Zeitabschnitten eher hilfreich als hinderlich sein. So dient beispielsweise das Aufkommen agiler, muskulöser Tiere, die sich durch Sedimente wühlen konnten, als Grundlage für die Definition des Kambriumzeitalters. Aber keine dieser früheren Veränderungen hat sich so schnell über alle Lebensräume auf dem Planeten ausgebreitet - oder wurde von einem Tier ausgelöst, das sich der Veränderungen bewusst war, die es vornahm. Dieses Bewusstsein muss - wie wir anmerken - wirksam in Maßnahmen umgesetzt werden, um die schlimmsten Folgen dieser Veränderungen abzuwenden. Zu viele streben immer noch nach wirtschaftlicher und industrieller Entwicklung, ohne die langfristigen Kosten für die Gesundheit des Planeten zu bedenken.

7. Das Anthropozän gibt allen Menschen gleichermaßen die Schuld für die globalen Umweltkrisen.

Das Anthropozän weist weder Schuld noch Verdienst zu; es erkennt einfach eine große, abrupte und mehr oder weniger dauerhafte Veränderung im Verlauf der Erdgeschichte an. Es besteht kein Zweifel daran, dass einige Menschen, Gesellschaften, Institutionen und Nationalstaaten den Wandel viel stärker vorangetrieben haben als andere und dass die Vorteile und Kosten des Wandels ungleich verteilt waren und sind. Die gesellschaftliche Bedeutung des Anthropozäns besteht darin, dass es den eindeutigen wissenschaftlichen Nachweis erbringt, dass der Mensch die globale Umwelt dauerhaft verändert hat. Und es kann uns ermutigen zur Kenntnis zu nehmen, dass wir uns alle mit den raschen, dauerhaften, globalen Veränderungen, die im Gange sind, auseinandersetzen müssen.

8. Das Anthropozän bedeutet eine Niederlage für unsere Bemühungen, die Umweltveränderungen einzudämmen.

Der erste Schritt zur Lösung von Problemen besteht darin, sie zu diagnostizieren. Wir können die Erde nicht in den Zustand zurückversetzen, in dem unsere Großeltern oder eine andere Generation des Holozäns gelebt haben. Aber wir können klügere Entscheidungen für die Zukunft treffen, die den Wandel mildern und abschwächen. Das ist Realismus, nicht Defätismus.

9. Das Anthropozän nach dem Menschen zu benennen ist anmaßend.

Die planetarische Transformation, die das Anthropozän einläutete, wurde von Menschen verursacht. Man hätte es auch anders nennen können, aber Anthropozän hat die Phantasie vieler Menschen geweckt, weil seine Bedeutung offensichtlich und zutreffend ist.

10. Das Anthropozän ist nur ein Werbegag.

Wenn das nur wahr wäre. Zu akzeptieren, dass wir nicht mehr in einer Holozän-Welt leben, ist ein erster Schritt, um die Probleme anzugehen, denen sich Menschen und Nichtmenschen in der unmittelbaren Zukunft gegenübersehen.

Fazit

Diese Mythen haben sich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft hartnäckig gehalten, obwohl sie in wissenschaftlichen Arbeiten der Anthropozän-Arbeitsgruppe und anderer systematisch widerlegt wurden. Dies deutet darauf hin, dass es sich wie bei allen Mythen um Reaktionen handelt, die eher auf Ideologie, Überzeugung oder persönlicher Philosophie als auf Beweisen beruhen. Diese falschen Vorstellungen liegen auch der jüngsten offiziellen Ablehnung des Anthropozäns durch die Hierarchie der internationalen Stratigraphie zugrunde.

Warum wurde das Anthropozän auf so viele Arten missverstanden und mythologisiert? Wahrscheinlich, weil es für viele zutiefst unangenehm ist. Es ist sehr kurz (bis jetzt). Es umfasst stinkende Mülldeponien als Schichten, die eine geologische Zeitskala durcheinander bringen, die für viele Geologen sakrosankt ist. Und es wirft das Schreckgespenst auf, dass die ruhigen Vorstellungen der geologischen Zeit auf die schwierigen Probleme stoßen, mit denen wir in Gegenwart und Zukunft konfrontiert sind.

Veränderungen sind schwierig, und das Anthropozän ist ein unangenehmes Konzept. Es ist schwer zu akzeptieren, dass wir als Gesellschaft so viel Macht erlangt haben, um die Erde zu verändern, und dabei so wenig darüber nachgedacht haben, wie wir diese Macht nutzen. Wissenschaftliche Erkenntnisse können unsere Sichtweise verändern (man denke nur an den Heliozentrismus und die Evolution) - es ist also nicht überraschend, dass das Anthropozän schwer zu akzeptieren ist. Aber unsere Rolle zu erkennen, wie wir die Erde plötzlich in eine neue Zukunft führen, ist ein notwendiger erster Schritt, um sich mit den planetarischen Veränderungen auseinanderzusetzen, die wir in Gang gesetzt haben.

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 *Der Artikel "What Myths About the Anthropocene Get Wrong" ist erstmals am 18. April 2024 im Smithsonian Magazine erschienen https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/what-myths-about-the-anthropocene-get-wrong-180984181/. Autoren sind der langjährige Leiter der Anthropozän Arbeitsgruppe emer.Prof. Jan A. Zalasiewicz (University Leicester), Scott L. Wing (Kurator an der Smithsonian Institution) und alle weiteren 32, aus 14 Ländern stammenden Mitglieder der Arbeitsgruppe. Der Artikel wird ungekürzt, von der Redaktion möglichst wortgetreu ins Deutsche übersetzt (und mit einigen Untertiteln) wiedergegeben.

Smithsonian Institution (Smithsonian, https://www.si.edu/) ist eine bedeutende US-amerikanische Forschungs- und Bildungseinrichtung, die auch zahlreiche Museen, Galerien und den Nationalzoo betreibt. Das Smithsonian stellt seine komplette Sammlung nach und nach in elektronischer Form (2D und teilweise 3D) unter der freien cc-0-Lizenz kostenlos zur Weiterverbreitung zur Verfügung. Das Smithsonian Magazine (aus dem der obige Artikel stammt) bringt eine Fülle faszinierender, leicht verständlicher Artikelaus allen Bereichen der Natur und der Gesellschaften. https://www.smithsonianmag.com/?utm_source=siedu&utm_medium=referral&utm_campaign=home.

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Das Anthropozän im ScienceBlog:

05.08.2021, Gerd Gleixner: Erdoberfläche - die bedrohte Haut auf der wir leben

22.01.2016, Walter Kutschera: Radiokohlenstoff als Indikator für Umweltveränderungen im Anthropozän.

01.08.2014, Reinhard Hüttl: Vom System Erde zum System Erde-Mensch

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Do,18.04.2024 — Redaktion

Metalle sind für neue Technologien unverzichtbar, doch ihre Gewinnung hinterlässt Berge von Abfällen, die eine potenziell gefährliche Umweltbelastung darstellen aber auch Rohmaterial für das Recycling dieser Metalle und die Schaffung wertvoller Industriematerialien bieten. 2 EU-finanzierte Projekte haben sich mit diesem Problemkreis befasst mit dem Ziel eine weitestgehende Wiederverwendung/Verwertung der Abfallberge zu erreichen und nahezu kostendeckend vorzugehen: In "MoveAL" wurden Technologien zur Aufwertung von Bauxitrückständen – dem Nebenprodukt der Aluminiumherstellung - vorgestellt. In "NEMO" ging es um die Gewinnung von Metallen aus sulfidischen Bergbauabfällen mittels modernster Technologien der Biolaugung.*

In der westirischen Stadt Limerick wird auf dem Gelände einer Aluminiumhütte eine 500 Meter lange gepflasterte Straße gebaut, basierend auf einem Experiment, das Europa helfen könnte, Industrieabfälle zu reduzieren. Die Betonstraße auf dem Gelände der Aughinish-Hütte hat einen Unterbau aus Materialien, die Bauxitrückstände enthalten, die auch als Rotschlamm bekannt sind.

Schlammige Materialien

Rotschlamm ist das, was bei der Produktion von Aluminium übrig bleibt - dem Metall, das in allem und jedem - von Küchenfolie und Bierdosen bis hin zu Elektroautos und Flugzeugrümpfen - Anwendung findet. Aluminium wird aus Bauxit gewonnen, einem aluminiumhaltigen Gestein, das aus einem rötlichen Lehmboden entsteht. Während Aluminium im modernen Leben unzählige kommerzielle Verwendungsmöglichkeiten findet, ist dies bei Bauxitrückständen nicht der Fall. Der Schlamm landet in der Regel auf Mülldeponien, nimmt immer mehr Platz ein und stellt eine verpasste Recyclingmöglichkeit dar. Abbildung 1.

Abbildung 1. Rotschlamm, der bei der Aluminiumproduktion anfällt. EU-Forscher suchen nach industriellen Verwendungsmöglichkeiten. © Igor Grochev, Shutterstock.com

Eine Gruppe von Forschern erhielt EU-Mittel, um diese Herausforderungen zu bewältigen, und kam auf die Idee, Bauxitrückstände für die Straße in der Aluminium-Hütte Aughinish zu verwenden. Ihr Projekt mit der Bezeichnung RemovAL (https://cordis.europa.eu/project/id/776469) hatte eine Laufzeit von fünf Jahren und lief bis April 2023.

"Deponierung ist eine Praxis, von der wir uns verabschieden wollen", sagte Dr. Efthymios Balomenos, der das Projekt koordinierte. "Selbst wenn die Umwelt nicht geschädigt wird, verbraucht man immer noch viel Platz und wirft die Hälfte des Materials weg."

Einfache Zahlen verdeutlichen die Problematik für Industrie und Gesellschaft:

Für jede Tonne Aluminium, die produziert wird, fallen etwa zwei Tonnen Bauxitrückstände an. Weltweit fallen jedes Jahr etwa 150 Millionen Tonnen Rotschlamm aus der Aluminiumproduktion an - das sind 20 Kilogramm pro Person weltweit. Davon werden nicht mehr als 3 % recycelt, der Rest kommt auf die Deponien. Weltweit lagern mehr als 4 Milliarden Tonnen Bauxitrückstände, und diese Zahl könnte sich bis 2050 auf 10 Milliarden Tonnen mehr als verdoppeln, so die Aluminium Stewardship Initiative (https://aluminium-stewardship.org/bauxite-residue-management-risks-opportunities-and-asis-role), eine standardsetzende Organisation, die auf "bahnbrechende Lösungen" für den Rotschlamm drängt.

Ideenlabors

Bauxit ist nach der französischen Stadt Les Baux benannt, in der das Erz 1821 entdeckt wurde.

In Europa fallen jährlich etwa 7 Millionen Tonnen Bauxitrückstände an. Der Rotschlamm wird zu künstlichen Hügeln aufgeschüttet, die der EU die Möglichkeit bieten, ihr Ziel einer Kreislaufwirtschaft mit mehr Recycling und weniger Abfall zu erreichen.

Am Projekt RemovAL waren eine Reihe akademischer und industrieller Teilnehmer beteiligt, darunter Aughinish Alumina, Rio Tinto in Frankreich und das griechische Bergbau- und Metallurgieunternehmen Mytilineos. Um Ideen für potenzielle kommerzielle Verwendungen von Bauxitrückständen zu testen, wurden Demonstrationsprojekte an Industriestandorten in Deutschland, Griechenland und Irland durchgeführt. Das primäre Ziel bestand darin, die Abfallmengen zu verringern und dies unter Vermeidung großer zusätzlicher Kosten.

"Unser Ziel war es, fast kostendeckend zu arbeiten und nahezu keine Abfälle zu erzeugen", so Balomenos, der als Berater bei Mytilineos tätig ist.

Straßen vorneweg

Das RemovAL-Team hat gezeigt, dass Bauxitrückstände als erste Fundamentschicht oder Unterbau für Straßen verwendet werden können. Der Unterbau einer Straße besteht in der Regel aus minderwertigem Schotter, liegt auf dem Boden auf und bildet einen stabilen Unterbau für die nächste, höherwertige Fundamentschicht.

Typischerweise bestehen Bauxitrückstände zu etwa zwei Fünfteln aus Eisenoxid, zu einem Fünftel aus Aluminiumoxid, zu 6 % aus Kieselsäure und zu 5 % aus Titan. Rotschlamm enthält sogar Seltene Erden - eine Gruppe von 17 Metallelementen mit besonderen Eigenschaften, die technologische Fortschritte in einer Reihe von Branchen ermöglichen.

"Das ist eine ganze Menge Material, selbst wenn man es nur als potenzielle Eisenquelle betrachtet", so Balomenos.

An den Standorten in Griechenland und Norwegen wurden im Rahmen des Projekts Bauxitrückstände in einem elektrischen Lichtbogenofen geschmolzen, um eine Eisenlegierung herzustellen, die sich für die Stahlherstellung eignet. RemovAL extrahierte auch die seltene Erde Scandium, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird, um Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen sicherzustellen Anschließend wurde der verbleibende Rückstand zur Herstellung von Material verwendet, das der Zementmischung zugesetzt werden kann.

Die Vorführungen waren zwar ein technischer Erfolg, doch laut Balomenos gibt es noch immer Kostenhürden - vor allem, weil die Möglichkeiten zur Wiederverwendung von Bauxitrückständen weniger rentabel sind als die Verwendung von lokal beschafften "neuen" Rohstoffen.

"Letzten Endes ist die Deponierung die einzige finanziell tragfähige Option für die Industrie", sagt er.

Um den Aluminiumsektor umweltfreundlicher zu gestalten, müsse Europa Anreize wie Subventionen oder Vorschriften bieten, um die Verwendung von Bauxitrückständen und anderen metallurgischen Nebenprodukten gegenüber neu abgebauten Rohstoffen zu fördern, so Balomenos.

Weitere Metalle

Das Problem der Metallabfälle geht in Europa weit über das von Aluminium hinaus.

Andere von der EU unterstützte Forscher, zusammengeschlossen in einem Projekt namens NEMO (https://cordis.europa.eu/project/id/776846), haben versucht kommerzielle Verwendungsmöglichkeiten für Abfallhalden zu finden, die beim Abbau von Kupfer, Zink, Blei und Nickel anfallen.

In Europa gibt es schätzungsweise 28 Milliarden Tonnen Erzrückstände, so genannte Tailings, aus der früheren Produktion dieser Metalle, und jedes Jahr fallen weitere 600 Millionen Tonnen an.

Kupfer, Zink, Blei und Nickel sind für die Energiewende in Europa unerlässlich. Ohne sie wären Windturbinen, Elektrofahrzeuge und viele andere saubere Technologien nicht möglich. Doch die Abraumhalden haben einen eigenen ökologischen Fußabdruck. Diese Abfälle werden häufig in Absetzteichen gelagert, enthalten Schwefel und erzeugen bei Regen Schwefelsäure.

"Diese Schwefelsäure kann potenziell gefährliche Elemente in die Umwelt, den Boden und das Wasser auswaschen", so Dr. Peter Tom Jones, Direktor des KU Leuven Institute for Sustainable Metals and Minerals in Belgien. "Die saure Drainage von Minen ist eines der größten Probleme der Bergbauindustrie beim Umgang mit sulfidischen Erzen".

Vielversprechende Technik

Jones war Teilnehmer von NEMO, das im November 2022 nach viereinhalb Jahren endete.

Die Forscher haben Standorte in Finnland und Irland genutzt, um die Durchführbarkeit einer als Biolaugung bekannten Technik zu testen, mit der wertvolle Metalle aus Bergwerksabfällen entfernt und die verbleibenden Abfälle in ein Material umgewandelt werden können, das nicht nur sicherer ist, sondern auch als Zusatzstoff bei der Zementherstellung dienen könnte. Abbildung 2.

Abbildung 2. Das NEMO-Konzept. Sulfidhaltige Bergbaurückstände werden derzeit in der Regel in Haldenlagern abgelagert. NEMO zielt auf die weitere Behandlung dieser Rückstände ab, um wertvolle Metalle und Mineralien zu gewinnen, während gefährliche Elemente konzentriert und die Restmatrix in Zement und Baumaterialien verwendet werden. (Bild von Redn. Eingefügt. Quelle: https://h2020-nemo.eu/project-2/)

Wertvolle Metalle können bereits durch ein Verfahren namens Auslaugung aus Abfällen zurückgewonnen werden. Dabei werden Chemikalien, in der Regel Säuren, eingesetzt, um die Metalle aufzulösen und aus dem Abfall herauszulösen, so dass sie zurückgewonnen werden können.

Die Biolaugung ähnelt zwar der chemischen Auslaugung, lässt aber lebende Organismen die Arbeit erledigen. Mikroben zehren von den Elementen in den Minenabfällen und schaffen dann eine saure Umgebung, die die Metalle auflöst. Das Verfahren hat das Potenzial, billiger und effektiver zu sein als die chemische Laugung.

Die Forscher haben gezeigt, dass die Biolaugung ein gangbarer Weg ist, um Metalle wie Nickel aus Abraum zu gewinnen. Die Qualität der Metalle wäre gut genug, um beispielsweise Batterien herzustellen. Sie fanden auch heraus, dass die Biolaugung mit zusätzlichen Rückgewinnungsverfahren wertvolle seltene Erden aus bestimmten Bergbauabfällen extrahieren könnte. Außerdem waren die Abfälle nach der Biolaugung weniger sauer und konnten zu einem Zusatzstoff für Zementmischungen verarbeitet werden.

Kostenfragen

Wie auch das RemovAL-Team stellten die NEMO-Forscher jedoch fest, dass diese Verfahren derzeit zu kostspielig sind, um kommerziell interessant zu sein.

"Es ist eine Sache, die Technologie zur Umwandlung von Abraum in wiedergewonnene Metalle und Baumaterialien zu entwickeln", so Jones. "Es ist etwas ganz anderes, dies auf eine Weise zu tun, die wirtschaftlich machbar ist."

Er sagt, dass die relativ geringen Mengen an kritischen Metallen in den Abgängen bedeuten, dass die Betriebskosten tendenziell höher sind als die potenziellen Einnahmen und dass daher der Abbau von Rohstoffen oft eine billigere Option ist, insbesondere wenn er in Niedriglohnländern erfolgt, in denen die Standards für Umwelt, Soziales und Unternehmensführung (ESG) niedriger sind.

Dennoch hat NEMO dazu beigetragen, Technologien zu entwickeln, die den Weg zu einer effizienten Rückgewinnung von Metallen aus abgebauten Materialien weisen und die Abfälle reinigen.

Mit dem richtigen Rechtsrahmen und den richtigen Anreizen könnten die Biolaugung und ähnliche neue Technologien wirtschaftlicher werden. In der Zwischenzeit können diese Verfahren Europa helfen, sein Ziel zu erreichen, die Versorgung mit kritischen Rohstoffen zu erweitern, indem Abraumhalden beseitigt und die Erzförderung verbessert wird.

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 *Dieser Artikel wurde ursprünglich am 12. April 2024 von Michael Allen in Horizon, the EU Research and Innovation Magazine unter dem Titel "The riches in Europe’s mountains of metals waste"  https://projects.research-and-innovation.ec.europa.eu/en/horizon-magazine/riches-europes-mountains-metals-waste publiziert. Der unter einer cc-by-Lizenz stehende Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu aus dem Englischen übersetzt. Abbildung 2 wurde von der Redaktion aus https://h2020-nemo.eu/project-2/ eingefügt.

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Zur Verwertung der Abfallberge

EU-Research:

HORIZON: the EU Research & Innovation magazine: The riches in Europe’s mountains of metals waste (April 2024). Video 0:59 min. https://www.youtube.com/watch?v=gwiNoOPnf4E

• RemovAL: Removing the waste streams from the primary Aluminum production and other metal sectors in Europe. https://cordis.europa.eu/project/id/776469. Dazu: Aluminiumverarbeitung erstrahlt in neuem Glanz. https://cordis.europa.eu/article/id/436237-aluminium-processing-takes-on-new-lustre/de
• NEMO: Near-zero-waste recycling of low-grade sulphidic mining waste for critical-metal, mineral and construction raw-material production in a circular economy. https://cordis.europa.eu/project/id/776846.  Dazu: Von Bergbauabfällen zum Schatz: nachhaltige Ressourcen für die Gesellschaft. https://cordis.europa.eu/article/id/436235-mine-tailings-to-treasure-providing-society-with-sustainable-resources/de

Aus der Max-Planck-Gesellschaft:

MPG: Grüner Stahl aus giftigem Rotschlamm (Jänner 2024). https://www.mpg.de/21440660/rotschlamm-aluminiumindustrie-gruener-stahl

Max-Planck-Gesellschaft: Grüner Stahl: Ammoniak könnte die Eisenproduktion klimafreundlich machen (2023). Video 2:10 min. https://www.youtube.com/watch?v=a_yUKX8zQfI

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Do, 11.04.2024 — Roland Wengenmayr

Tropische Passatwolken wirken wie ein Kühlelement im Klimasystem: In der Äquatorzone dienen sie als Schutzschirm gegen die wärmende Sonnenstrahlung. Doch reduziert der menschengemachte Klimawandel möglicherweise ihre Dichte, sodass sich die Erderwärmung verstärkt? Der Physiker und Wissenschaftsjournalist Roland Wengenmayr berichtet über die Eurec⁴a-Feldstudie, die Bjorn Stevens, Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg, mitinitiiert hat. Diese Studie hat mit vier Forschungsschiffen, fünf Flugzeugen und weiteren Instrumenten die tropischen Passatwolken untersucht und einen bislang unbekannten Feuchtigkeitskreislauf - die Flache Mesoskalige Umwälzzirkulation - entdeckt. Ein besseres Verständnis davon, wie sich in Passatwolken Niederschlag bildet und warum die Passatwolken verschiedene Formen annehmen, hilft Klimamodelle und ihre Prognosen zu präzisieren.*

Anfang 2020 versammelte die Klimaforschung vor Barbados eine See- und Luftflotte, wie sie vorher nur selten an den Start gegangen war: Vier Forschungsschiffe, darunter die beiden deutschen Schiffe Meteor und Maria S. Merian, und fünf Forschungsflugzeuge, darunter der Jet Halo des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), eine französische ATR -42 und eine US-amerikanische Lockheed WP-3D Orion Hurricane Hunter, gingen in den Tropen auf Wolkenjagd. Auf Barbados nahm das große Wolkenradar Poldirad des DLR seinen Betrieb auf. Abbildung 1. Mehr als 300 Forschende aus 20 Nationen beteiligten sich an dieser Großoperation. Das Untersuchungsobjekt: die kleinen, niedrigen Passatwolken.

Abbildung 1: Aufbau des Wolkenradars Poldirad (Polarisations-Doppler-Radar) auf Barbados. © MPI-M

Eurec⁴a hieß die vierwöchige Kampagne, das steht für „Elucidating the role of clouds-circulation coupling in climate“, also „Klärung der Rolle der Wolken-Zirkulations-Kopplung für das Klima“. Natürlich spielt der Name auch auf Archimedes an; der soll beim Baden das Gesetz des Auftriebs entdeckt und gerufen haben: „Heureka!“ - „Ich habs gefunden!“ Darauf weist Bjorn Stevens hin, denn: „Bei Wolken geht es wirklich um Auftrieb!“ Der Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg hat die Eurec⁴a -Kampagne gemeinsam mit seiner französischen Kollegin Sandrine Bony, Direktorin am Centre National de la Recherche Scientifique in Paris, konzipiert und geleitet. Unterstützt wurden sie vor Ort durch David Farrell, Leiter des Caribbean Institute for Meteorology und Hydrology. Stevens hat auch gemeinsam mit Farrell das Barbados Cloud Observatory am östlichsten Punkt der Insel aufgebaut, das 2010 in Betrieb ging.

Aber warum treibt die Klimaforschung einen solchen Aufwand um kleine Wölkchen in den Tropen?

Passatwolken sind niedrige Wolken, sie bilden sich schon in etwa 700 Metern Höhe und dehnen sich – meist – nur bis in zwei Kilometer Höhe aus. Dennoch stellen sie ein Schwergewicht im Klimasystem dar, weil sie so viele sind. Sie sind gesellig wie eine Schafherde und bedecken mehr als 30 Prozent der Gesamtfläche der Passatwindzone, die wie ein Gürtel ein Fünftel der Erde in den Tropen und Subtropen umspannt. Damit bilden die Wolken zusammen einen großen Spiegel, der einen beträchtlichen Teil der Sonnenstrahlung ins All reflektiert und somit die Erde kühlt. Da die Passatwolken eine viel größere Fläche bedecken als das Polareis und zudem fast senkrechter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, ist ihre Spiegelwirkung für die Wärmestrahlung viel gewichtiger als die der großen Eisflächen in der Arktis und der Antarktis.

Würde nun die Dichte der Passatwolken mit dem Klimawandel abnehmen, dann hätte das erhebliche Auswirkungen auf das Erdklima. Diese Besorgnis lösten die Ergebnisse einiger Klimastudien aus, insbesondere eine wissenschaftliche Arbeit, die 2014 in der britischen Fachzeitschrift Nature erschien. Zugespitzt gesagt, war das Ergebnis dieser Klimasimulationen, dass die Erderwärmung die Passatwolken teilweise wegtrocknen könnte. Die Folge wäre also eine Verstärkung der Erwärmung, was wiederum die Passatwolken-Bedeckung reduzieren würde. „Positive Rückkopplung“ ist der Fachbegriff für einen solchen Teufelskreis.

Nun ist es so, dass die großen, erdumspannenden Klimamodelle zwar sehr zuverlässig geworden sind, wenn es um die Simulation globaler Trends geht: Dass die Menschheit durch ihre Emissionen von Treibhausgasen die Erde erwärmt, steht wissenschaftlich außer Zweifel. Aber mit der Simulation der Wolkenbildung und folglich mit der Frage, wie Wolken auf die Erderwärmung antworten werden, tun sich heutige Klimamodelle recht schwer. Sie konnten die kleinteiligeren Prozesse, die dabei eine Rolle spielen, nicht erfassen. Und es gibt immer noch Wissenslücken, wenn es um ein genaueres Verständnis geht, wie Wolken entstehen und wie sie sich verhalten. Deshalb sollte Eurec4a die Passatwolken vor Ort durchleuchten. Die vierwöchige Kampagne sollte Daten über ihr Entstehen und Vergehen sammeln, über ihre Reaktion auf wärmere, kältere, trockenere und feuchtere Wetteränderungen. Dazu liefen diverse Forschungsaktivitäten parallel, eng aufeinander abgestimmt. Den Kern dieser Wolkenforschung bildete ein zylinderförmiges Volumen von rund 10 Kilometern Höhe und circa 220 Kilometern Durchmesser. In diesem Volumen versuchte das Team vor allem die Luftbewegungen möglichst lückenlos zu erfassen, zusammen mit der transportierten Feuchtigkeit. Grundsätzlich entstehen Kumuluswolken, umgangssprachlich: Quellwolken, aus Luft, die wärmer ist als ihre Umgebung und mehr verdunstendes Wasser aufnehmen kann. Da Wassermoleküle leichter als Sauerstoffmoleküle sind, sorgt ein höherer Feuchtegehalt sogar für mehr Auftrieb als eine höhere Temperatur. Die Luft steigt auf, Konvektion entsteht.

In etwa 700 Metern Höhe kondensiere dann der mittransportierte Wasserdampf zu Wolkentröpfchen, erklärt Raphaela Vogel. Sie hat an Eurec⁴a teilgenommen und ist heute wissenschaftliche Mitarbeiterin der Universität Hamburg. „Deshalb haben diese Kumuluswolken unten an der Basis so eine messerscharfe Kante“, erklärt sie. Das kann man auch in Europa bei schönem Sommerwetter gut beobachten. Vogel hat am Max-Planck-Institut für Meteorologie promoviert und war als Postdoktorandin in Bonys Gruppe auf Barbados dabei. Ihre Aufgabe war es damals, das Flugprogramm als leitende Wissenschaftlerin zu koordinieren. Dazu flog sie meist auf der französischen ATR -42 mit, gelegentlich auch auf der deutschen Halo. Es sei eine sehr aufregende Zeit gewesen, erzählt sie begeistert, die Kampagne habe das internationale Team zusammengeschweißt.

Flugzeuge für jedes Wolkenstockwerk

Der deutsche Jet Halo war zuständig für das höchste Stockwerk. Er flog den oberen Kreisabschnitt des Zylinders im Lauf der vier Wochen 72-mal ab, hinzu kamen 13 solcher Rundflüge mit der amerikanischen WP-3D. Und jedes Mal saß Geet George im Heck, damals Doktorand in Stevens’ Gruppe und heute Assistenzprofessor an der Technischen Universität Delft. Er kümmerte sich um eine zentrale Messung: Auf exakt zwölf Positionen des 360-Grad-Rundkurses, wie die Fünfminutenstriche auf einem Uhrenziffernblatt, schoss er Wurfsonden aus dem Flugzeug. Diese schwebten dann an Fallschirmen die zehn Kilometer hinunter zur Meeresoberfläche. Ihre Pappröhren enthielten einen Sender, drei Sensoren für Druck, Temperatur und den relativen Feuchtegehalt der Umgebungsluft sowie einen GPS-Empfänger. Auf ihrem etwa zwölfminütigen Weg nach unten sendeten zwei- bis viermal pro Sekunde ihre Messwerte und Positionen an Halo. Besonders wichtig waren die GPS-Daten, denn sie lieferten die Information, wie weit der auf der jeweiligen Höhe herrschende Wind die Sonden zur Seite blies. Aus diesen Daten errechnete George, welche Luftmassen durch die gedachte Wand in das umzirkelte Messvolumen hineinflossen – oder hinaus. Da die Erhaltungssätze der Physik verbieten, dass Luft einfach verschwindet oder hinzukommt, lässt sich daraus errechnen, wie sich die Konvektion innerhalb des Zylinders verhält.

Abbildung 2: Mit einem Laser werden Eigenschaften der Wolken gemessen und daraus Temperatur und Feuchtigkeitsprofile abgeleitet. (Foto: MPI-M, F. Batier; © MPI-M )

Die französische ATR -42 hatte die Aufgabe, innerhalb des gedachten Messzylinders viel tiefer, auf Höhe der Wolkenbasis, zu fliegen. Besonders wichtig waren dabei Instrumente, die die Wolken seitlich mit Radar und Lidar, eine Art Laserscanner, abtasteten. Abbildung 2. Sie lieferten vor allem Informationen über die Wolkentröpfchen und deren Bewegungen. Damit diese Instrumente möglichst horizontal blickten, musste das Flugzeug waagerecht im Geradeausflug ausgerichtet sein. Daher flog die ATR -42 immer wieder einen Kurs ab, der wie bei einem römischen Wagenrennen aus zwei engen Kurven und langen geraden Streckenabschnitten bestand. Auch hier war Disziplin gefordert, selbst wenn es kaum Wolken gab, um in den vier Wochen ein Gesamtbild bei allen Wetterlagen zu erhalten. „Das war nicht immer leicht durchzusetzen“, erzählt Raphaela Vogel lachend, „wenn etwas weiter weg ein schönes Gewitter lockte.“ Im Nachhinein ist sie vor allem beeindruckt davon, wie zuverlässig die Eurec⁴a -Daten sind.

Aber was kam nun dabei heraus?

Dazu erklärt die Forscherin zunächst, was bei der Wolkenbildung grundsätzlich geschieht: Feuchte, von der Sonne erwärmte Luft steigt über dem Wasser auf, zum Ausgleich muss kühlere, trockene Luft aus größerer Höhe absinken. Wenn die feuchte Luft in diesem Konvektionsaufzug in die Höhe fährt, sinkt ihre Temperatur, und so kondensiert ein Teil des Dampfs zu Wolkentröpfchen. Diese feuchten, tröpfchenhaltigen Luftmassen vermischen sich mit den von oben kommenden trockeneren Luftmassen. Das lässt wieder einen Teil der Tropfen verdunsten. Dabei verschwindet das Wasser nicht, es wird nur wieder gasförmig und trägt so nicht zur Wolke bei. Ein wärmeres Klima allerdings könnte nun bewirken, dass sich weniger Wolkentröpfchen bilden, weil die von oben kommende Luft durch die Erderwärmung mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Die Folge wäre, dass immer weniger Passatwolken entstehen, was wiederum – wegen der abnehmenden Spiegelwirkung – die Erderwärmung beschleunigen würde. Das wäre die bereits erwähnte positive Rückkopplung.

Abbildung 3. Quellwolken bilden sich dort, wo warme, feuchte Luft aufsteigt; zwischen den Wolken sinkt kühlere, trockene Luft hinab. Diese konvektive Strömung ist seit Langem bekannt. Im Eurec4a-Projekt haben Forschende nun eine mesoskalige Luftzirkulation über 100 bis 200 Kilometer entdeckt, die Feuchtigkeit dorthin bringt, wo die Wolken entstehen. Es ist daher nicht zu befürchten, dass die Passatwolken infolge der Erderwärmung wegtrocknen. © MPG

Den Ergebnissen der Eurec⁴a -Kampagne zufolge ist diese Rückkopplung bei Weitem nicht so stark, wie einige Klimamodelle befürchten ließen. Abbildung 3. Das zeigte ein Team um Raphaela Vogel, zu dem auch Bjorn Stevens und Sandrine Bony gehörten, in einer Publikation über die wichtigsten Resultate der Feldstudie im Fachblatt Nature im Dezember 2022. „Das sind doch mal gute Neuigkeiten für uns Menschen“, sagt Raphaela Vogel. Warum das so ist, erklärt Geet George. Er war maßgeblich an einer zweiten wichtigen Veröffentlichung zu den Ergebnissen beteiligt, die im Juli 2023 in Nature Geoscience erschien. Entscheidend seien atmosphärische Zirkulationen, erklärt der Wissenschaftler, die so klein sind, dass sie durch das Raster bisheriger globaler Klimamodelle fallen.

Genug Nachschub an Feuchtigkeit

Diese „flachen mesoskaligen Umwälzzirkulationen“, englisch shallow mesoscale overturning circulations, erstrecken sich über Flächen in der Größenordnung des von Halo umflogenen Gebiets und reichen bis in etwa 1,5 Kilometer Höhe. „Mesoskalig“ bedeutet, dass es um Prozesse in mittelgroßen Räumen des Klimasystems von grob 100 bis 200 Kilometer Ausdehnung geht. Und diese Zirkulation durchmischt feuchte und trockene Luftmassen kräftiger, als einige globale Klimamodelle dies erwarten ließen. Grundsätzlich funktioniert sie wie die Konvektion, die Wolken entstehen lässt, nur dass sie sich genau in diesen mittelgroßen Räumen abspielt, die bei Barbados umflogen wurden. Sie liefert genügend Nachschub an Feuchtigkeit, um das Wegtrocknen der Wolkentröpfchen in einer wärmeren Umgebung weitgehend auszugleichen. Die aufsteigende, feuchte Luft und die fallende, trockene Luft bilden zusammen die aufsteigenden und absteigenden Teile der flachen, mesoskaligen Zirkulation – wie bei einem altmodischen Paternosteraufzug, der mit unterschiedlich besetzten Kabinen auf einer Seite hinauf- und daneben hinunterfährt.

„Wir haben ein neues Zirkulationssystem identifiziert, das die Variabilität in der Wolkenbedeckung beeinflusst“, bilanziert Bjorn Stevens. „Und dieser Mechanismus existiert in unseren bisherigen Klimamodellen nicht!“ Die Entdeckung, wie bedeutend diese flache Zirkulation in Räumen von etwa 100 bis 200 Kilometern für die heutige und zukünftige Existenz der Passatwolken ist, war die wichtigste Erkenntnis von Eurec⁴a.

Darüber hinausgab es noch andere neue Einsichten ins Wolkengeschehen, zum Beispiel wie Bewegung und Organisation der Passatwindwolken den Niederschlag aus ihnen beeinflussen. Unter welchen Bedingungen aus Wolkentröpfchen Regen, Schnee oder Hagel wird, kann die Klimaforschung noch nicht genau erklären, dies ist aber für Wettervorhersagen und Simulationen regionaler Klimaveränderungen relevant. Um die Niederschlagsbildung in Passatwolken besser zu verstehen, hat Jule Radtke als Doktorandin am Max-Planck-Institut für Meteorologie die Messungen von Poldirad auf Barbados ausgewertet. „Poldirad“ steht für Polarisations-Doppler-Radar. Dieser technische Terminus besagt im Kern, dass das Großgerät über das Radarecho sehr genau die Bewegungen der Tröpfchen in einer Wolke verfolgen kann. Normalerweise steht Poldirad am DLR-Standort in Oberpfaffenhofen. Mit finanzieller Unterstützung der Max-Planck-Förderstiftung wurde die Anlage für Eurec⁴a demontiert und auf einem Schiff über den Atlantik geschickt. Nach mehreren Monaten kam sie in Barbados an und blieb erst einmal in den Zollformalitäten stecken. Doch trotz aller Hindernisse gelang es dem Team, das Radargerät rechtzeitig in der Nähe des Barbados Cloud Observatory in Betrieb zu nehmen.

Blumen und Fische am Himmel

Abbildung 4. In den Tropen und Subtropen bilden sich in einem Gürtel, in dem der Passatwind vorherrscht, zahllose vielgestaltige Wolken, die das Klima kühlen, da sie Sonnenlicht reflektieren. Die hier gezeigten Formen werden als Blume bezeichnet. (Foto: MPI für Meteorologie / NASA World view.)

Radtke untersuchte mit Daten von Poldirad, welchen Einfluss das Herdenverhalten der Passatwolken auf ihren Niederschlag hat. „Früher hieß es immer, dass diese kleinen Passatwindwolken Schönwetterwolken sind, die nicht hoch wachsen und daher auch nicht regnen“, sagt die Klimaforscherin, „und dass sie sich eher zufällig verteilen.“ Schon vor Eurec⁴a war aber klar, dass dieses Bild nicht stimmt. Radtke kam zu dem Ergebnis, dass der Herdentrieb einen deutlichen Einfluss auf das Regenverhalten der Wolken hat. Drängen sich die Wolken stärker zusammen, regnet es aus ihnen öfter. Denn offenbar schützen sie sich gegenseitig vor der Sonne. Das bewirkt eine feuchtere Atmosphäre und verhindert, dass Regentropfen wieder verdunsten, bevor sie den Boden erreichen. Dafür regnet es aus den Wolken in der Herde schwächer, weil in ihnen weniger Regen gebildet wird. „Das könnte daran liegen, dass da auch jüngere oder ältere Wolken mit herumhängen“, sagt Radtke lachend,„die noch nicht oder nicht mehr zum Niederschlag beitragen.“

Dass die Selbstorganisation der Wolken sehr komplex ist, hatte Bjorn Stevens’ Team schon in der Vorbereitungsphase zu Eurec⁴a entdeckt. Mithilfe von Maschinenlernen und Mustererkennung hatten die Hamburger in Satellitenbildern vier verschiedene Herdenmuster identifiziert, die sie „Zucker (Sugar)“, „Kies (Gravel)“, „Blumen (Flowers)“ und „Fisch (Fish)“ tauften. Letztere Struktur erinnert tatsächlich an ein Fischskelett. Gemeinsam mit Hauke Schulz, der heute an der University of Washington in Seattle forscht, untersuchte Stevens unter anderem, ob ein hochauflösendes Klimamodell, das auf ein kleineres Gebiet beschränkt ist, um Rechenleistung zu sparen, mit den Eurec⁴a -Daten diese Muster simulieren kann. Für „Fisch“ und „Kies“ gelang die Simulation schon recht gut, für „Blumen“ nicht. Wie wichtig es ist, dass zukünftige Klimamodelle diese Strukturen ganz genau simulieren können, das sei noch offen, betont Stevens. Zumindest die durchschnittliche Wolkenbedeckung müssen die Modelle jedenfalls möglichst genau berechnen, die Wolkenform könnte dabei ein relevanter Faktor sein. Abbildung 4. Die Lehre aus Eurec⁴a sei, dass Klimamodelle grundsätzlich viel feiner gestrickt sein müssen, um solche mesoskaligen Vorgänge auch in einem künftigen, wärmeren Klima simulieren zu können.

Bjorn Stevens ist optimistisch, dass die hochauflösenden Klimamodelle der Zukunft wesentlich genauere Vorhersagen für kleinräumige Vorgänge ermöglichen werden. Erst wenn Klimamodelle die Prozesse in der Atmosphäre noch besser erfassen, können sie etwa regionale Klimaveränderungen genauer prognostizieren. Dabei hilft sicher auch, dass der Klimaforschung immer leistungsfähigere Supercomputer zur Verfügung stehen. Die Feldforschung in der Natur werden aber auch diese Computer nicht ersetzen können. Im August und September 2024 läuft die Nachfolge-Feldstudie Orcestra, und wieder wird Barbados die Basis sein.

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 Vogel, R., Albright, A.L., Vial, J. et al. Strong cloud–circulation coupling explains weak trade cumulus feedback. Nature 612, 696–700 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05364-y

George, G., Stevens, B., Bony, S. et al. Widespread shallow mesoscale circulations observed in the trades. Nat. Geosci. 16, 584–589 (2023). https://doi.org/10.1038/s41561-023-01215-1

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 * Der Artikel ist erstmals im Forschungsmagazin 1/2024 der Max-Planck-Gesellschaft unter dem Titel "Ein Schirm aus Blumenwolken"https://www.mpg.de/21738713/W004_Umwelt-Klima_052-057.pdf erschienen und wird mit Ausnahme des Titels und des Abstracts in praktisch unveränderter Form im ScienceBlog wiedergegeben. Die MPG-Pressestelle hat freundlicherweise der Veröffentlichung von Artikeln aus dem Forschungsmagazin auf unserer Seite zugestimmt. (© 2023, Max-Planck-Gesellschaft)

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 Klima/Klimawandel im ScienceBlog

ist ein Themenschwerpunkt, zu dem bis jetzt 52 Artikel erschienen sind.

Das Spektrum reicht von den Folgen des Klimawandels über Strategien der Eindämmung bis hin zu Klimamodellen: Klima & Klimawandel

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Do, 04.04.2024 — Inge Schuster

Obwohl Fluor zu den am häufigsten vorkommenden Elementen der Erdkruste zählt, hat die belebte Natur von der Schaffung fluorierter organischer Verbindungen abgesehen, da sie offensichtlich mit den über die Evolution entwickelten und erprobten Kohlenstoff-Wasserstoff-Systemen inkompatibel sind. Vor 70 Jahren haben synthetisch hergestellte fluororganische Verbindungen, insbesondere per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) ihren Siegeszug durch die Welt angetreten. Deren herausragende Eigenschaften - Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Verbindungen aller Art, Hitze und Wasser - haben sich leider auch als enorm hohe Persistenz gegenüber natürlich entstandenen Abbaumechanismen erwiesen. Dass PFAS in Umwelt und Organismen akkumulieren, war den führenden Industrieunternehmen schon länger bekannt, im Bewusstsein der akademischen Welt und der Bevölkerung samt ihren zögerlich agierenden Vertretern ist das Problem erst im Jahr 2000 angekommen.

Fluor, das leichteste Element aus der Grupe der Halogene (7. Hauptgruppe im Periodensystem, die auch Chlor, Brom und Jod enthält) ist extrem reaktiv und bildet mit nahezu allen Elementen des Periodensystems enorm feste Verbindungen. In der Erdkruste gehört Fluor zu den am häufigsten vorkommenden Elementen und liegt hier in Form von anorganischen Verbindungen - in Mineralien wie u.a. Flussspat, Fluorapatit und Kryolith - vor. Von minimalen Ausnahmen abgesehen hat die belebte Natur allerdings für Fluor keine Verwendung gefunden: Seitdem vor rund 80 Jahren die erste natürlich entstandene Fluorkohlenstoff-Verbindung, die Fluoressigsäure (CH₂FCO₂H, Abbildung 1), entdeckt wurde, hat man trotz immer besser werdender Analysemethoden und einer immer größeren Fülle an untersuchbarer Spezies erst um die 30 natürlich entstandene Fluorkohlenstoff-(fluororganische)-Verbindungen gefunden, zumeist von der Fluoressigsäure abgeleitete Fluor-Fettsäuren und Fluoraminosäuren. Deren Vorkommen ist auf einige wenige Pflanzenarten, Bakterienstämme (Streptomyces) und eine Meeresschwammart beschränkt. Die bereits erwähnte Fluoressigsäure wird u.a. vom südafrikanischen Strauch Gifblaar synthetisiert und - offensichtlich zur Abwehr von Fressfeinden - in dessen Blättern gespeichert: es ist eine hochgiftige Verbindung, es heißt: "ein Blatt reicht um eine Kuh zu töten". Die Toxizität beruht auf der strukturellen Ähnlichkeit mit der Essigsäure, die eine zentrale Rolle im Stoffwechsel aller aerober Organismen spielt: Fluoressigsäure wird an deren Stelle in den Citratzyklus eingeschleust und bringt diesen zum Erliegen.

Abbildung 1: Fluororganische Verbindungen werden nahezu ausschließlich synthetisch durch Menschenhand hergestellt. Beschreibung der abgebildeten Substanzen im Text.

Die Natur verzichtet auf fluororganische Verbindungen

Die Bindung von Fluor an Kohlenstoff ist die stärkste Einfachbindung in der organischen Chemie, bei weitem stärker als dessen Bindung zu den anderen Elementen Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor und sie nimmt an Stärke noch zu, wenn mehrere Fluoratome am selben Kohlenstoff gebunden sind, wie beispielsweise im Tetrafluorkohlenstoff (CF₄) mit einer Dissoziationsenergie von 130 kcal/mol oder in den künstlich hergestellten Per- und Polyfluoralkyl Stoffen.

Wird in einer Kohlenstoff-Wasserstoffbindung der Wasserstoff durch ein Fluoratom ersetzt, so ändert sich die Größe des gesamten Moleküls nur wenig, da der Atomradius von Fluor nicht viel größer als der von Wasserstoff ist. Das modifizierte Molekül wird meistens noch in die Bindungsstelle seines vormaligen Enzyms, seines vormaligen Rezeptors passen; allerdings haben sich seine Gesamteigenschaften verändert und damit die Spezifität und Stärke der Bindung und damit die Auswirkungen auf den vormaligen Rezeptor/das Enzym und dessen Funktion im Stoffwechsel verändert: i) Der Ersatz von Wasserstoff kann aber zu einer anderen Stereochemie des Moleküls geführt haben, wenn ein asymmetrisches (im Spiegelbild nicht deckungsgleiches - chirales) C-Atom entstanden ist. ii) Da Fluor das elektronegativste, d.i. das am stärksten Elektronen anziehende Element ist, weist die Kohlenstoff-Fluorbindung ein Dipolmoment (^δ+C–^δ−F) mit negativer Teilladung am Fluor auf. Fluor kann so mit (partiell) positiv geladenen Atomen wie dem an Sauerstoff oder Stickstoff gebundenen Wasserstoff Bindungen - Wasserstoffbrücken - ausbilden. (Auswirkungen eines teilweisen Einbaus von Fluor auf die Basenpaarungen der DNA oder auf die Wechselwirkungen zwischen Proteinen? Undenkbar) iii) Mit der Einführung von Fluor hat die Lipophilie der Verbindung und damit die Löslichkeit in und der Durchtritt durch Membranen zugenommen. iv) Wenn es vor allem um den Abbau/das Recyceln der fluorierten Verbindung geht - die Kohlenstoff-Fluor-Bindung lässt sich durch bereits entwickelte Enzymsysteme nicht so leicht wie eine Kohlenstoff- Wasserstoff-Bindung auflösen.

In Summe: fluorierte organische Verbindungen erweisen sich als nur wenig kompatibel mit den über die Evolution entwickelten und erprobten Kohlenstoff-Wasserstoff-Systemen.

Fluororganische Verbindungen sind also anthropogen

Die Produktion derartiger Stoffe begann vor 90 Jahren mit dem Halogenkohlenwasserstoff Freon-12 (Dichlordifluormethan - CCl₂F₂; Abbildung 1), einem ungiftigen, verflüssigbaren Gas, das als Kältemittel in Kühlsystemen und später auch als Treibgas in Sprühdosen eingesetzt wurde. Als erkannt wurde, dass Freon und weitere Halogenkohlenwasserstoffe auf die schützende Ozonschicht der Erde zerstörend wirken, wurde deren Herstellung und Verwendung ab 1987 über das Montreal Protokoll verboten.

Zwei Entwicklungen haben dann einen ungeahnten Boom an synthetisch produzierten Fluorverbindungen ausgelöst.

In der medizinischen Chemie

wurde 1954 mit dem Aldosteronderivat Fludrocortison (Abbildung 1) erstmals ein fluoriertes Pharmazeutikum erfolgreich auf den Markt gebracht, das von der WHO in die Liste der essentiellen Arzneimittel aufgenommen wurde. Die gezielte Einführung von Fluor gehörte bald zu den aussichtsreichsten Strategien der medizinischen Chemie, um die Wirkdauer und insgesamt die Wirksamkeit von Entwicklungssubstanzen zu optimieren. Zwei Fluor-Effekte sind dabei von besonderer Bedeutung: i) Fluorierung an Schwachstellen, d.i. an leicht metabolisierbaren Stellen eines Moleküls soll diese Reaktionen erschweren/verhindern und damit die biologische Stabilität der Verbindung und dadurch deren Blutspiegel und Wirkdauer erhöhen. ii) Fluorierung erhöht den lipophilen Charakter von Molekülen und soll so deren Durchtritt durch Lipidmembranen und damit deren Aufnahme in den Organismus und in seine Zellen erleichtern.

In den letzten 3 Jahrzehnten hat der Anteil der fluorierten Wirkstoffe besonders stark zugenommen - bis zu 50 % der neu registrierten synthetischen Pharmaka enthalten heute ein oder mehrere Fluorgruppen und insgesamt über 20 % aller derzeit im Handel erhältlichen Arzneimittel sind bereits Fluorpharmazeutika.

Neue Untersuchungen weisen allerdings auch auf eine Kehrseite der Fluorierung hin: In chemisch instabilen Molekülen und im Verlauf von enzymatischen Reaktionen kann auch die sehr feste Kohlenstof-Fluor-Bindung heterolytisch gespalten werden (d.i. die Bindungselektronen bleiben am Fluor) und Fluorid (F^-) wird freigesetzt [Yue Pan, 2019]. Diese Freisetzung lässt sich sehr gut an verschiedenen, mit dem 18Fluor-Isotop markierten Verbindungen verfolgen, die zur Diagnose und auch zur Therapie diverser Tumoren in der Positron-Emissionstomographie (PET) eingesetzt werden (beispielsweise: [Ying-Cheng Huang et al.2016]).

Chronisch anhaltende Fluorid-Zufuhr von täglich mehr als 10 mg Fluorid kann zu schmerzhaften Veränderungen in Knochen und Gelenken (Skelettfluorose) führen. Ein klinisch belegtes Beispiel für die Freisetzung von Fluorid und dessen Folgen bietet das Antimykotikum Voriconazol, das bei Langzeittherapie zu erhöhten Fluoridspiegeln im Plasma und als Folge zu schmerzhaften Beinhautentzündungen und Knochenwucherungen führen kann.

In industriellen Anwendungen

hat die Entdeckung von Teflon (Polytetrafluorethylen, Abbildung 1) und seinen herausragenden Eigenschaften seit den 1950er Jahren zur Entwicklung von mehr als 10 000 unterschiedlichen Stoffen aus der Kategorie der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) geführt; dies sind Verbindungen an denen die Wasserstoffatome an den Kohlenstoffatomen ganz oder teilweise durch Fluoratome ersetzt sind (Abbildung 1). Aufgrund der Chemikalienbeständigkeit und wasser-, hitze-, und schmutzabweisenden Eigenschaften wurden und werden PFAS in diversesten Artikeln eingesetzt. Das Spektrum reicht von Feuerlöschschaum bis hin zu wasserdichter Bekleidung, von schmutzabweisenden Beschichtungen bis zu antihaftbeschichtetem Kochgeschirr, von Dichtungsmaterial bis hin zu in Chemielabors und in der Medizintechnik verwendeten inerten Materialien. Zwei der in verschiedenen Anwendungen am häufigsten verwendeten PFAS-Verbindungen sind Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) (Abbildung 1). Diese langkettigen Stoffe entstehen durch Umweltprozesse auch aus anderen instabileren PFAS.

Die Widerstandsfähigkeit dieser ungemein nützlichen Stoffe ist leider auch die Basis ihrer negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt: Geschützt durch die dichte Hülle aus Fluoratomen ist das Kohlenstoffskelett praktisch nicht abbaubar; die "Ewigkeitschemikalien" akkumulieren in Boden und Grundwasser und gelangen über Wasser und Nahrungsketten in Mensch und Tier.

Abbildung 2: Die weit verbreitete Verwendung von PFAS hat dazu geführt, dass diese in der Umwelt nun allgegenwärtig sind. Das Vorhandensein von PFAS im Ökosystem bedeutet, dass sie in verschiedene terrestrische und aquatische Nahrungsketten und -netze gelangen und schließlich den Menschen als Endverbraucher erreichen (Quelle: Figure 3 in Wee, S.Y., Aris, A.Z. (2023). https://doi.org/10.1038/s41545-023-00274-6.. Lizenz: cc-by)

Für den Haushalt war es eine großartige Erneuerung: Ab den 1960er Jahren konnten Stoffe, Teppiche, Polstermöbel u.a. mit dem Fleckenschutzmittel Scotchgard der US-amerikanischen Firma 3M imprägniert werden. Erst als sich im Jahr 2000 herausstellte, dass der Hauptbestandteil von Scotchgard, das langkettige Perfluoroctanylsulfonat (PFOS; Abbildung 1), bereits in der Umwelt und in der menschlichen Bevölkerung nachweisbar geworden war, hat eine hektische Forschung zu möglichen Konsequenzen von PFAS, insbesondere von PFOS und PFOA, auf Mensch und Umwelt begonnen. Seit 2000 sind In der Datenbank PubMed (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov//; abgerufen am 2.4.2024) jeweils rund 5000 Untersuchungen über PFOS und ebenso viele über PFOA erschienen, darunter rund 1300 zur Toxizität, etwa 1700 zur Exposition des Menschen gegenüber PFOS und PFOA und rund 300 zur Schaffung von unproblematischeren Alternativen. Eine kürzlich erschienene Arbeit gibt einen umfassenden Überblick über die Freisetzung von PFAS aus diversen Produkten und die Wege, die zur Exposition des Menschen führen ([Wee, S.Y., Aris, A.Z. (2023)]; graphisch zusammengefasst in Abbildung 2).

Die wachsende Sorge über die Umweltverschmutzung mit PFAS und die gesundheitlichen Auswirkungen von langkettigen PFAS, insbesondere PFOA und PFOS, haben zu Bemühungen geführt, die Produktionsmethoden zu regulieren und Richtlinien zur Überwachung festzulegen (im Stockholmer Übereinkommen über persistente organische Schadstoffe, https://www.pops.int/). Der größte PFAS-Produzent, die 3M Company und auch der globale Player DuPont haben die Produktion und Verwendung von PFOA uns PFOS bereits eingestellt und andere Unternehmen folgen. Allerdings gibt es - vor allem in Kontinentalasien - neue Hersteller von langkettigen PFAS.

Die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) hat im März 2024 die nächsten Schritte für die wissenschaftliche Bewertung des Beschränkungsdossiers für PFAS vorgestellt. Der Vorschlag sieht vor, dass PFAS nur noch in Bereichen zum Einsatz kommen dürfen, in denen es auf absehbare Zeit keine geeigneten sicheren Alternativen geben wird bzw. wo die sozioökonomischen Vorteile die Nachteile für Mensch und Umwelt überwiegen. Tatsächlich gibt es ja für viele dieser Stoffe - u.a. in den Chemielabors (Schläuche, inerte Gefäße) und in der medizinischen Anwendung (Stents, Prothesen) keine offensichtlichen Alternativen.

Die Problematik der Abwägung von Risiko und alternativlosem Inverkehrbringen bestimmter PFAS-Produkte und die hohe Persistenz dieser Produkte lassen befürchten, dass PFAS noch lange Zeit unsere Böden und Gewässer kontaminieren werden.

Die PFAS- Exposition

Menschen und Tiere sind permanent PFAS-Kontaminationen ausgesetzt, viele davon sind es bereits seit Jahrzehnten. PFAS gelangen in unsere Organismen durch direkten Kontakt über die Haut oder durch Inhalation oder über den Verdauungstrakt, d.i. über kontaminierte Nahrung und Trinkwasser. Im Organismus angelangt sind langkettige PFAS praktisch nicht abbaubar, zirkulieren, werden nur sehr langsam ausgeschieden und akkumulieren, solange die Aufnahme aus kontaminierten Quellen weiter besteht. Angaben über die Verweildauer im Organismus beruhen häufig auf Schätzungen und gehen weit auseinander.

Konkretere Zahlen hat eine Studie an 106 Personen aus Ronneby (Schweden) geliefert, deren Trinkwasser von der Mitte der 1980er Jahre an mit PFAS kontaminiert war (Quelle: Löschschaum von einem nahegelegenen Flugfeld). Nach Bereitstellung von sauberem Wasser Ende 2013 wurden über 33 Monate lang die PFAS-Spiegel im Blutserum und daraus die Halbwertszeiten des Absinkens bestimmt: die Mittelwerte lagen für PFOA bei 2,7 Jahren, für PFOS bei 3,5 Jahren und für das kürzerkettige PFHxS (Perfluorohexane sulfonate) bei 5,3 Jahren.

Erschreckend hoch waren die anfänglichen Serumspiegel, die im Mittel für PFHxS bei 277 ng/ml (12 - 1 660), für PFOS bei 345 ng/ml (24 - 1 500) und für PFOA bei 18 ng/ml (2,4 - 9,2) lagen [Li Y, Fletcher T, Mucs D, et al., 2019].

Diese Serumwerte sind vor dem Hintergrund des Leitfadens der US-National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (16.6.2022) "Guidance on PFAS Exposure, Testing, and Clinical Follow-Up" https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK584702/ zu sehen:

a) < 2 ng / mL , gesundheitsschädliche Wirkungen sind nicht zu erwarten;

b) 2 - 20 ng / mL , mögliche schädliche Wirkungen, insbesondere bei empfindlichen Bevölkerungsgruppen; und

c) > 20 ng / mL , erhöhtes Risiko für schädliche Wirkungen. Säuglinge und Kleinkinder gelten als besonders empfindlich gegenüber PFAS-Exposition.

Wie groß das Problem der menschlichen Exposition bereits ist, wird aus der Kontamination des Trinkwassers mit den sehr häufig verwendeten PFOA und PFOS ersichtlich, die bereits weltweit detektierbar sind. Abbildung 3 zeigt Höchstwerte, die in einzelnen Regionen gemessen wurden, wobei die US und Schweden mit ihrer umfangreichen Produktion und Konsum von PFAS Hotspots bilden [Wee S.Y., Aris, A.Z. (2023)]. Die Produktion von PFAS in diesen Ländern wurde zwar eingestellt und hat dort zu einem Absinken der Blutspiegel geführt. Dafür hat die Produktion in den Entwicklungsländern erheblich zugenommen. Emission von PFAS und Kontamination werden auch vom Wohlstand (dem BIP) der einzelnen Gebiete beeinflusst, der unmittelbar mit Produktion, Verbrauch und Entsorgung von PFAS-Produkten zusammen hängt.

Abbildung 3: Produktion und globale Verbreitung/Verwendung von PFOA und PFOS spiegeln sich in der Kontamination des Trinkwassers wieder. Konzentrationen in Oberflächen- und Grundwasser, in Leitungswasser und in abgefülltem Wasser sind gemessene Maximalwerte in den einzelnen Staaten und sind in erster Linie auf die anhaltende Verschmutzung durch verschiedene Erzeuger, unvollständige Beseitigungsmethoden und unzureichende Überwachung- und Managementpraktiken erklärbar. NA: keine Angaben.(Quelle: Figure 4 in Wee S.Y., Aris, A.Z. (2023) https://doi.org/10.1038/s41545-023-00274-6. Lizenz: cc-by. Grundkarte mit freundlicher Genehmigung von https://www.mapchart.net/; Lizenz cc-by-sa.)

Die am häufigsten verwendeten PFAS werden wohl noch viele Jahre in der Umwelt gemessen werden können (insbesondere in der Nähe von Flughäfen und Militärstützpunkten), zu der Vielfalt der bereits produzierten und angewandten Tausenden anderen PFAS mit unterschiedlichen Eigenschaften fehlen ausreichend Informationen über Kontaminierungen, Expositionen und mögliche Gesundheitsrisiken und das gilt auch für die neu eingeführten PFAS-Ersatzstoffe.

Ein globales Gesundheitsproblem

Dass akkumulierende PFAS unserer Gesundheit schaden, ist unbestritten auch, wenn die Mechanismen wie und wo PFAS was bewirken noch ziemlich unbekannt sind.

PFAS sind stark lipophile Moleküle, die sich mehr und mehr in Membranen einlagern (und dort wie und was stören). Enzyme (vor allem aus den Cytochrom P450-Familien) scheitern am Versuch PFAS mittels aktiviertem Sauerstoff abzubauen. Sie setzen bloß den aktivierten Sauerstsoff (ROS) frei, der dann Entzündungsreaktionen auslöst, während PFAS-Moleküle weiter unbehelligt für Jahre im Organismus zirkulieren können und immer mehr werden.

Eine Fülle an gesundheitlichen Beeinträchtigungen wurde mit PFAS in Verbindung gebracht - vor allem Leberschäden, Krebserkrankungen im Umfeld von Produktionsstandorten mit sehr hoher Exposition, Nierenerkrankungen, Schilddrüsenerkrankungen, neurodegenerative Erkrankungen und der gesamte Komplex der Fettstoffwechselstörungen und damit verbundene Herz-Kreislauferkrankungen [Sunderland et al., 2019].

Ausreichende Evidenz für einen Zusammenhang mit der PFAS-Exposition gibt es bislang erst für wenige Krankheiten/Auswirkungen auf die Gesundheit. Die oben erwähnten "Guidance on PFAS Exposure, Testing, and Clinical Follow-Up" hat diese 2022 zusammengefasst. Es sind dies:

•  verminderte Antikörperreaktion (bei Erwachsenen und Kindern),
• Fettstoffwechselstörung (Dyslipoproteinämie; bei Erwachsenen und Kindern), 
• vermindertes Wachstum von Säuglingen und Föten und
• erhöhtes Risiko für Nierenkrebs (bei Erwachsenen).

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Seit der Einführung der PFAS-Materialien und dem Bekanntwerden der damit für Umwelt und Gesundheit verbundenen Probleme sind Jahrzehnte ungenützt verstrichen. Dass sich die Industrie bereits viel früher über diese Risiken ihrer Erfindungen im Klaren war, ist in höchstem Maße erschreckend. Der für seine lebenslangen Forschungen über Umwelt verschmutzende Chemikalien berühmte Umweltmediziner Philippe Grandjean fasst diesen skandalösen Umstand und die zögerlichen Reaktionen der Entscheidungsträger in einem überaus kritischen, 2018 publizierten Artikel zusammen (Übersetzt aus [P. Grandjean, 2018]):

"Frühe Forschungsergebnisse über die Exposition gegenüber PFAS in der Umwelt und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit wurden erst mit erheblicher Verzögerung verfügbar und bei den ersten Regulierungsentscheidungen zur Verringerung der Exposition nicht berücksichtigt. Erst in den letzten zehn Jahren hat sich die umweltmedizinische Forschung auf die PFAS konzentriert und wichtige Risiken für die menschliche Gesundheit, z. B. für das Immunsystem, aufgedeckt. Obwohl die Richtwerte für PFAS im Trinkwasser im Laufe der Zeit gesunken sind, sind sie immer noch zu hoch, um vor einer solchen Toxizität zu schützen. Während die am häufigsten verwendeten PFAS noch viele Jahre in der Umwelt verbleiben werden, werden neue PFAS-Ersatzstoffe eingeführt, obwohl nur wenige Informationen über negative Gesundheitsrisiken verfügbar sind. In Anbetracht der gravierenden Verzögerungen bei der Entdeckung der Toxizität von PFAS, ihrer Persistenz in der Umwelt und ihrer Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit sollten PFAS-Ersatzstoffe und andere persistente Industriechemikalien vor einer weit verbreiteten Verwendung einer eingehenden Forschungsprüfung unterzogen werden."

Grandjean tritt auch als Topexperte in einer 2023 erschienenen Dokumentation auf, die enthüllt, was die PFAS-Produzenten Dupont und 3M schon früh über die Risiken ihrer Verbindingen wussten. [Zembla - The PFAS Cover-up; 2023].

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Zitierte Literatur:

Grandjean P. Delayed discovery, dissemination, and decisions on intervention in environmental health: a case study on immunotoxicity of perfluorinated alkylate substances. Environ Health. 2018 Jul 31;17(1):62. DOI: 10.1186/s12940-018-0405-y

Leitfaden der US-National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (16.6.2022) "Guidance on PFAS Exposure, Testing, and Clinical Follow-Up" https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK584702/

Sunderland EM, Hu XC, Dassuncao C, Tokranov AK, Wagner CC, Allen JG. A review of the pathways of human exposure to poly- and perfluoroalkyl substances (PFASs) and present understanding of health effects. J Expo Sci Environ Epidemiol. 2019 Mar;29(2):131-147. DOI: 10.1038/s41370-018-0094-1

Wee, S.Y., Aris, A.Z. Revisiting the “forever chemicals”, PFOA and PFOS exposure in drinking water. npj Clean Water 6, 57 (2023). https://doi.org/10.1038/s41545-023-00274-6

Li Y, Fletcher T, Mucs D, et al. Half-lives of PFOS, PFHxS and PFOA after end of exposure to contaminated drinking water. Occup Environ Med 2018;75:46–51. doi: DOI: 10.1136/oemed-2017-104651

Ying-Cheng Huang et al., Synthesis and Biological Evaluation of an 18Fluorine-Labeled COX Inhibitor—[18F]Fluorooctyl Fenbufen Amide—For Imaging of Brain Tumors. Molecules 2016, 21, 387; doi: 10.3390/molecules21030387

Yue Pan, The Dark Side of Fluorine. ACS Med. Chem. Lett. 2019, 10, 1016−1019. DOI: 10.1021/acsmedchemlett.9b00235

Zembla - The PFAS Cover-up. Video 51.03 min. https://www.youtube.com/watch?v=y3kzHc-eV88

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Do,21.03.2024 — Redaktion

Ein bestürzender Report ist vergangene Woche erschienen (M.Wagner et al., 2024): Wissenschafter aus Norwegen und der Schweiz haben einen umfassenden Überblick über mehr als 16 000 Chemikalien gegeben, die zur Produktion von Kunststoffen verwendet werden, in diesen potentiell enthalten sind und von diesen freigesetzt werden können. Von mehr als 9000 dieser Substanzen fehlen Angaben wo und wie sie eingesetzt werden, bei mehr als 10 000 Substanzen gibt es keine Informationen zum Gefährdungsrisiko. Über 4 200 Kunststoffchemikalien werden als bedenklich betrachtet, da sie persistent sind und/oder sich in der Biosphäre anreichern und/oder toxisch sind, davon unterliegen 3 600 weltweit keinen Regulierungen. Eine Schlussfolgerung der Forscher: bedenkliche Chemikalien können in allen Kunststoffarten vorkommen.Um zu besserer Chemikaliensicherheit und Nachhaltigkeit zu gelangen, empfehlen sie ein Bündel an Maßnahmen zur politischen Umsetzung.

Die wichtigsten Aussagen der Forscher werden im folgenden Artikel ungefiltert aufgezeigt: in Form der "Executive Summary" des Reports, die hier in deutscher Übersetzung und ergänzt mit einigen Abbildungen aus dem Report vorliegt.

Das Ausmaß der Chemikalien bei Kunststoffen

Chemikalien sind ein essentielles Merkmal aller Materialien und Produkte aus Kunststoff und der Schlüssel, um deren Vorzüge zu erzielen. Allerdings werfen Kunststoffchemikalien erhebliche Bedenken zu Umwelt und Gesundheit auf. Die Vielfalt der Kunststoffchemikalien und ihre problematischen Eigenschaften machen eine umfassende Analyse zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt während des gesamten Lebenszyklus von Kunststoffen erforderlich. Der PlastChem-Bericht "State-of-the-science on plastic chemicals" gibt einen sorgfältigen und umfassenden Überblick über den aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstand der chemischen Dimension von Kunststoffen, einschließlich der Gefahren, Funktionen, Verwendungen, Produktionsmengen und des rechtlichen Status von Kunststoffchemikalien [1].

Warum spielen Kunststoffchemikalien eine Rolle?

Abbildung 1. Anzahl der Chemikalien von denen die Verwendung bei der Kunststoffproduktion, das Vorhandenseins in den Kunststoffen und die Freisetzung aus Kunststoffen nachgewiesen ist. Chemikalien mit unschlüssigen Ergebnissen sind ebenfalls angeführt. Bei den Informationen über Verwendung, Vorhandensein und Freisetzung gibt es erhebliche Überschneidungen, so dass hier für jede Chemikalie der höchste Beweisgrad angegeben wird. (Quelle: Figure 7 in M. Wagner et al., 2024,[1]. von Redn. deutsch übersetzt. Lizenz cc-by-sa-nc-4.0.)

Die weltweite Kunststoffindustrie verwendet eine Vielzahl von Chemikalien, von denen viele nachweislich die Umwelt verschmutzen und schädliche Auswirkungen auf Wildtiere, Menschen und Ökosysteme haben. Viele andere Kunststoffchemikalien sind noch unzureichend untersucht (Abbildung 1).

Die bekannten nachteiligen Auswirkungen in Verbindung mit Datenlücken und bruchstückhaften wissenschaftlichen Erkenntnissen stellen ein gewaltiges Hindernis für die Bewältigung der Risiken dar, die durch die Belastung mit Chemikalien während des gesamten Lebenszyklus von Kunststoffen entstehen. Darüber hinaus verhindert dies auch den Übergang zu einer schadstofffreien Zukunft, indem es Innovationen im Hinblick auf sicherere und nachhaltigere Materialien und Produkte behindert.

Was ist über Kunststoffchemikalien bekannt?

Abbildung 2. Anzahl der Kunststoffchemikalien nach ihrem jährlichen Produktionsvolumen. Die Zahlen sind kumuliert, d. h. die Anzahl der Chemikalien mit ≥10 Tonnen umfasst alle Chemikalien mit einem höheren Produktionsvolumen. (Quelle: Figure 5 in M. Wagner et al., 2024,[1].Lizenz cc-by-sa-nc-4.0.)

Der Bericht über den Stand der Wissenschaft fasst die Erkenntnisse über mehr als 16 000 Chemikalien zusammen, die potentiell in Kunststoffmaterialien und -produkten verwendet werden oder enthalten sind. Nur 6 % dieser Chemikalien unterliegen derzeit internationalen Regulierungen, obwohl eine weitaus größere Zahl in großen Mengen hergestellt wird und ein hohes Expositionspotenzial aufweist. Abbildung 2 gibt einen Überblick über Zahl und Produktionsvolumina von Kunststoffchemikalien.

Mehr als 4200 Kunststoffchemikalien sind bedenklich, weil sie persistieren, in der Biosphäre akkumulieren, mobil und/oder toxisch (PBMT) sind. Was unter diesen Gefährdungskriterien zu verstehen ist, zeigt Abbildung 3.

Abbildung 3. Abbildung 3. Die 4 Gefährdungskriterien Persistenz, Bioakkumulation, Mobiliät und Toxizität - PBMT. (Quelle: Executive Summary in M. Wagner et al., 2024,[1]; von Redn. deutsch übersetzt.Lizenz cc-by-nc-sa-4.0.),

Über 1300 der bedenklichen Chemikalien sind zur Verwendung in Kunststoffen auf dem Markt, und 29 - 66 % der verwendeten oder in gut untersuchten Kunststoffarten gefundenen Chemikalien sind bedenklich.

Dies bedeutet, dass bedenkliche Chemikalien in allen Kunststoffarten vorkommen können.

Der Bericht zeigt auch eklatante Datenlücken auf: Bei mehr als einem Viertel der bekannten Kunststoffchemikalien fehlen grundlegende Informationen über ihre Identität, und bei mehr als der Hälfte sind die Informationen über ihre Funktionen und Anwendungen in der Öffentlichkeit unklar oder fehlen ganz (siehe Abbildung 1). Darüber hinaus sind die Daten zum Produktionsvolumen nicht weltweit repräsentativ und auf bestimmte Länder beschränkt.

Abbildung 4. Übersicht über Kunststoffchemikalien, die als gefährlich, weniger gefährlich und ungefährlich eingestuft sind und von denen keine Gefährdungsdaten vorliegen. Die rechte Seite zeigt, welche Gefahrenkriterien (PBMT: siehe Abb.3) und Eigenschaften die betreffenden Chemikalien erfüllen. Abkürzungen: STOT: spezifische Organ-Toxizität; CMR: carcinogen, mutagen, reproduktionsschädigend; EDC: endokriner Disruptor; POP: persistierende organische Pollution; PBT: persistent, bioakkumulierend, toxisch; PMT: persistent, mobil, toxisch; vPvB: sehr persistent, sehr bioakkumulierend; vPvM: sehr persistent, sehr mobil. (Quelle: Figure 11 in M. Wagner et al., 2024,[1]. von Redn. modifiziert und deutsch übersetzt. Lizenz cc-by-nc-sa-4.0.)

Besonders wichtig ist, dass für mehr als 10 000 Chemikalien keine Informationen über die Gefahren vorliegen, obwohl diese Informationen für eine ordnungsgemäße Bewertung und Handhabung dieser Chemikalien unerlässlich sind (Abbildung 4). Dies unterstreicht den Bedarf an transparenteren Informationen über die Identität, die Gefahren, die Funktionen, die Produktionsmengen und das Vorkommen von Kunststoffchemikalien in Kunststoffen.

Auf welche Kunststoffchemikalien kommt es besonders an?

Der Bericht skizziert einen systematischen Ansatz zur Identifizierung und Prioritätensetzung von besorgniserregenden Chemikalien, wobei ein gefahren- und gruppenbasierter Rahmen verwendet wird, der auf vier entscheidenden Gefährdungskriterien (PBMT; Abbildung 3) basiert. Diese Methode ermöglicht eine effiziente Identifizierung von Chemikalien, die weitere politische Maßnahmen erfordern. Ein solcher Ansatz löst auch die großen Herausforderungen, die mit der Risikobewertung von mehr als 16.000 Kunststoffchemikalien verbunden sind, einschließlich des immensen Ressourcenbedarfs, der Investitionen und der technischen Herausforderungen zur Ermittlung zuverlässiger Expositionsdaten (d. h. der Konzentration von Kunststoffchemikalien in der Umwelt, in der Tierwelt und beim Menschen).

Unter Anwendung eines strengen und umfassenden gefahren- und gruppenbasierten Ansatzes werden in dem Bericht 15 prioritäre Substanzgruppen bedenklicher Kunststoffchemikalien identifiziert (Abbildung 5) und über 4200 bedenkliche Chemikalien, von denen ca. 3600 derzeit weltweit nicht reguliert sind. Außerdem werden zusätzliche Strategien zur weiteren Priorisierung von Kunststoffchemikalien für politische Maßnahmen vorgestellt und Ansätze zur Identifizierung bedenklicher Polymere aufgezeigt

Abbildung 5. Prioritäre 15 Substanzgruppen von Kunststoffchemikalien, die Anlass zu Besorgnis sind. (Quelle: Executive Summary in M. Wagner et al., 2024,[1]; Lizenz cc-by-nc-sa-4.0.),

Wie kann diese Evidenz in politische Maßnahmen umgesetzt werden?

Empfehlung 1: Umfassende und effiziente Regulierung von Kunststoffchemikalien

Die große Zahl und die vielfältigen bekannten Gefahren erfordern neue Ansätze, um Kunststoffchemikalien umfassend und effizient zu regeln. Dies kann durch die Umsetzung eines gefahren- und gruppenbasierten Ansatzes zur Ermittlung bedenklicher Kunststoffchemikalien erreicht werden. Eine solche Strategie ist von entscheidender Bedeutung, um die Grenzen der derzeitigen Bewertungssysteme zu überwinden und die Innovation hin zu sichereren Kunststoffchemikalien zu fördern.

Dementsprechend sollten die politischen Entscheidungsträger die PBMT-Kriterien übernehmen und den 15 Gruppen und 3600 bedenklichen Chemikalien Vorrang bei der Regulierung einräumen, da sie derzeit auf globaler Ebene nicht reguliert sind.

Empfehlung 2: Transparenz bei Kunststoffchemikalien fordern

Mehr Transparenz bei der chemischen Zusammensetzung von Kunststoffen ist unerlässlich, um Datenlücken zu schließen, ein umfassendes Management von Kunststoffchemikalien zu fördern und Rechenschaftspflicht über die gesamte Wertschöpfungskette von Kunststoffen zu schaffen. Eine einheitliche Berichterstattung, die Offenlegung der chemischen Zusammensetzung von Kunststoffmaterialien und -produkten sowie ein "Keine Daten, kein Markt"-Ansatz werden empfohlen, um sicherzustellen, dass wesentliche Informationen über Kunststoffchemikalien öffentlich zugänglich werden. Dies dient dem doppelten Zweck, Sicherheitsbewertungen und Entwicklung von sichereren Kunststoffen zu erleichtern.

Empfehlung 3: Vereinfachung von Kunststoffen in Richtung Sicherheit und Nachhaltigkeit

Die vielen auf dem Markt befindlichen Kunststoffchemikalien erfüllen oft ähnliche und manchmal unwesentliche Funktionen. Diese Komplexität und Redundanz stellen ein großes Hindernis für Governance und Kreislaufwirtschaft dar. Das Konzept der chemischen Vereinfachung bietet die Möglichkeit, die Auswirkungen von Kunststoffen zu verringern, indem ein innovationsfreundlicher und evidenzbasierter Weg in die Zukunft eingeschlagen wird. Die Vereinfachung kann durch die Förderung von Maßnahmen erreicht werden, die die Verwendung von weniger und sichereren Chemikalien begünstigen, sowie durch die Annahme von Konzepten für die erforderliche Verwendung und die sichere Gestaltung, um Innovationen zu lenken.

Empfehlung 4: Aufbau von Kapazitäten zur Entwicklung sichererer und nachhaltigerer Kunststoffe

Um Kunststoffchemikalien wirksam zu handhaben und Innovationen in Richtung sicherer und nachhaltiger Kunststoffe zu fördern, sollten im öffentlichen und privaten Sektor technische, institutionelle und kommunikative Kapazitäten aufgebaut werden. Dazu gehört die Förderung des globalen Wissensaustauschs, die Schaffung eines gleichberechtigten Zugangs zu technischen Fähigkeiten und die Verbesserung der institutionellen Ressourcen für ein effektives Management von Kunststoffchemikalien. Durch die Einrichtung einer Plattform für den Wissensaustausch, die internationale Zusammenarbeit und die Zuteilung von Ressourcen regt der Bericht zu kollektiven Anstrengungen an, um gemeinsame Lösungen zu entwickeln und sicherzustellen, dass Wissen, Technologie und Infrastruktur auf offene, faire und gerechte Weise verfügbar sind.

Abbildung 6. Kunststoffchemikalien: Stand der Wissenschaft und empfohlene Maßnahmen zur politischen Umsetzung. (Quelle: Executive Summary in M. Wagner et al., 2024,[1]; Lizenz cc-by-nc-sa-4.0.),

Abbildung 6. fasst den derzeitigen wissenschaftlichen Stand über Kunststoffchemikalien und die empfohlenen Maßnahmen zur politischen Umsetzung zusammen.

Welche positiven Auswirkungen hat es sich mit Kunststoffchemikalien zu befassen?

Eine umfassende Auseinandersetzung mit besorgniserregenden Kunststoffchemikalien und -polymeren wird erheblichen Nutzen für Umwelt und menschliche Gesundheit mit sich bringen, Innovationen zu sichereren Kunststoffchemikalien, -materialien und -produkten fördern und den Übergang zu einer untoxischen Kreislaufwirtschaft unterstützen. Die vorgeschlagenen Konzepte für Kunststoffchemikalien und Polymere sollen den Stand der Wissenschaft mit den politischen und rechtlichen Rahmenbedingungen in Einklang bringen und so eine fundierte Entscheidungsfindung und verantwortungsvolle Innovationen in allen Sektoren erleichtern.

Da kein Land in der Lage ist, das grenzüberschreitende Problem der Kunststoffchemikalien und -polymere allein anzugehen, ist dem Stand der Wissenschaft entsprechend eine kollektive globale Reaktion am besten geeignet, um die Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit zu mindern. Eine evidenzbasierte Politik, die der Chemikaliensicherheit und Nachhaltigkeit Vorrang einräumt, wird einen Weg zu einer sicheren und nachhaltigen Zukunft bieten.

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Der PlastChem-Bericht:

Martin Wagner, Laura Monclús, Hans Peter H. Arp, Ksenia J. Groh, Mari E. Løseth, Jane Muncke, Zhanyun Wang, Raoul Wolf, Lisa Zimmermann (14.03.2024) State of the science on plastic chemicals - Identifying and addressing chemicals and polymers of concern. http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.10701706.  Lizenz: cc-by-sa-4.0.

Der Bericht

• wird von einer öffentlich zugänglichen, umfassenden Zusammenstellung von Informationen über bekannte Kunststoffchemikalien begleitet, der PlastChem-Datenbank: plastchem_db_v1.0.xlsx
• wurde am 14. März 2024 im Rahmen einer Online-Veranstaltung des Geneva Environment Network vorgestellt: Launch and Panel Discussion: State of the Science on Plastic Chemicals. Video 1:30:25 (mit Transkript) https://www.youtube.com/watch?v=zM-xbq_QyG8
• ist im Vorfeld der April-Sitzung des Fourth Intergovernmental Negotiating Committee on Plastic Pollution (INC-4, in Ottawa, Ontario) erschienen, eines Ausschusses des Umweltprogramms der Vereinten Nationen, der bis Ende des Jahres ein globales Plastikabkommen mit 175 Ländern ausarbeiten soll.

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Fr, 15.03.2024 — Ricki Lewis

Im Labor aus tierischen Zellen gezüchtetes Fleisch ist bislang ein Fehlschlag geblieben. Schlangen könnten eine neue Quelle für die Fleischzucht darstellen. Eine australische Forschergruppe hat mehr als 4600 Tiere von zwei großen Pythonarten über 12 Monate hinweg auf Farmen in Thailand und Vietnam - wo Schlangenfleisch als Delikatesse gilt - untersucht. Sie haben festgestellt, dass Pythons hitzetolerant und widerstandsfähig gegenüber Nahrungsmittelknappheit sind und in der Lage Proteine weitaus effizienter als alle anderen bisher untersuchten Arten zu produzieren. Die Genetikerin Rick Lewis berichtet über Pythonzucht als eine der Antworten auf eine Klimawandel-bedingte, weltweite Ernährungsunsicherheit.*

Die Biotechnologie hat viele Probleme gelöst, von rekombinanter DNA und monoklonalen Antikörpern über Gentherapie und Transplantation von Stammzellen bis hin zu Impfstoffen auf RNA-Basis und gentechnisch veränderten Pflanzen, die Krankheiten und Pestiziden widerstehen.

Im Gegensatz dazu ist das so genannte kultivierte Fleisch bisher ein Fehlschlag geblieben.

Eine ausführliche Stellungnahme dazu von Joe Fassler ist in der New York Times vom 9. Februar unter dem Titel Die Revolution, die auf dem Weg zur Mahlzeit verkommen ist (The Revolution That Died on Its Way to Dinner ) erschienen. Der Autor setzt sich darin mit den unrealistischen Erwartungen, Verkettungen und Pannen auseinander, die verhindert haben, was er sich unter "einer Hightech-Fabrik mit Stahltanks" vorstellt, "die so hoch sind wie Wohnhäuser, und Fließbändern, die jeden Tag Millionen Kilo fertig geformter Steaks ausrollen - genug, um eine ganze Nation zu ernähren."

Die Herstellung von Fleisch

Gezüchtetes Fleisch zielt darauf ab, Fleisch außerhalb von Körpern nachzubauen. Es handelt sich dabei nicht um einen mit Erbsenprotein voll gepackten Beyond Burger oder einen raffiniert auf Hämoglobin basierenden Impossible Burger, sondern um tierische Zellen, die in einer Suppe aus Nährstoffen gebraut werden, unter Zusatz von Hormonen, welche die Entwicklung in Richtung Muskel-, Fett- und Bindegewebe lenken, um das Ergebnis dann in Formen zu bringen, die Restaurantgerichten ähneln.

Wenn wir so geheimnisvolle Lebensmittel wie Hot Dogs, Fischstäbchen, Gyros und Chicken Nuggets essen können, warum dann nicht auch einen gezüchteten Fleischklumpen?

Das Mantra für Fleischesser besagt, dass bei den im Labor gezüchteten Sorten keine Tiere getötet werden und der Zerstörung von Wäldern zwecks Schaffung von Weideflächen entgegen gewirkt werden könne. Seit 2016 sind Milliarden in die Erforschung von kultiviertem Fleisch investiert worden, entstanden sind aber nur eine Handvoll Produkte, in Singapur, den Vereinigten Staaten und Israel.

Als Biologin kann ich mir nicht vorstellen, wie man geschmackvolle Teile eines Tierkörpers reproduzieren kann, die im Laufe der Jahrtausende von der Evolution immer mehr verfeinert wurden. Würden die Züchter Aktin- und Myosinfasern dazu bringen, sich zu Skelettmuskelfasern zu verflechten, welche der Form nach einem Ribeye-Steak oder einem Kronfleisch entsprechen? Wie genau reproduziert das Gebräu aus Nährstoffen und Hormonen die biochemischen Kaskaden, welche Zellteilung und Zelldifferenzierung bei der Bildung von Organen aus nicht-spezialisierten Vorläuferzellen organisieren? Würden die Versuche stattdessen zu einem Mischmasch von Zelltypen führen?

Und dann ist da noch die Frage des Scale-ups. Ein Prototyp für 10.000 Dollar ist nicht gerade ermutigend.

Als ob diese Herausforderungen nicht schon entmutigend genug wären, haben einige Versuche, Fleisch zu züchten, zu Produkten geführt, die Zellen von Mäusen oder Ratten enthalten. Huch! Nun, das sind auch Säugetiere.

Fleischzüchter - die Unternehmen

Mehr als 20 Unternehmen forschen an kultiviertem Fleisch, darunter Upside Foods, New Age Eats, BlueNalu, das zellgezüchteten" Blauflossenthunfisch anbietet und Shiok Meats aus Singapur mit kultivierten Krustentiere (sogenannten Meeresfrüchten).

Auf der Website von Vow (Sidney, Australien) werden die einzelnen Schritte der Fleischzüchtung sobeschrieben (https://www.vowfood.com/what-we-do):

• "Zellkuration: Wir züchten die perfekte Kombination von Zellen hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Selbsterneuerung und für idealen Geschmack, Textur und Aromen.
• Vorbereiten und nähren: Wir fügen essenzielle Mikronährstoffe zu, die dazu beitragen, ein schmackhaftes, strukturiertes Fleischprofil zu erzeugen. Es ist wie Ihre bevorzugte Rezeptur, aber auf molekularer Ebene, und bietet Qualität, Reinheit und Konsistenz besser als jedes andere Fleisch. Immer.
• Purer Nährwert: Wir setzen die Zellen in unsere klimatisierten Kultivatoren und sorgen so für einen natürlichen Verlauf der Bildung von Muskel-, Fett- und Bindegewebe auf die sicherste Art und Weise.
•  Wir verpacken sie zu einer Reihe von Markenprodukten für den Verbraucher."

Warum sind Schlangen interessant?

Ökonomischer als der Versuch, die Natur nachzubilden und zu verändern, um Steaks und Sushi zu züchten, könnte es sein, neue Quellen für die Fleischzucht zu finden. Diesbezüglich ist kürzlich unter dem Titel "Pythonzucht als flexible und effiziente Form der landwirtschaftlichen Nahrungsmittel-sicherheit (Python Farming as a flexible and efficient form of agricultural food security) eine Arbeit in Scientific Report erschienen [1]. Darin untersuchen Daniel Natusch und seine Kollegen von der Macquarie University in Sydney die Möglichkeit, Reptilien zu züchten, die ja in Asien bereits ein Grundnahrungsmittel sind.

Abbildung 1. Netzpython (links) und Burmesischer Python (rechts). Die beiden Arten leben hauptsächlich in den Tropen Südostasiens und gehören zu größten Schlangen der Welt. Ausgewachsene weibliche Netzpythons werden bis zu 7 m lang und bis zu 75 kg schwer. Burmesische Pythons sind etwas kleiner. Die Tiere sind Fleischfresser, verzehren u.a. Nagetiere aber auch mache Insekten (Grillen). (Quellen: Links: Rushenby, Malayopython reticulatus, Reticulated python - Kaeng Krachan District, Phetchaburi Province (47924282891) cc-by-sa. Rechts: gemeinfrei.)

Die Forscher haben die Wachstumsraten von 4.601 Netzpythons und burmesischen Pythons in zwei Farmen in Thailand und Vietnam analysiert. Abbildung 1.Die Tiere wurden wöchentlich mit wild gefangenen Nagetieren und Fischmehl gefüttert und ein Jahr lang wöchentlich gewogen und gemessen.

Wie die Forscher berichten, sind Schlangen eine gute Nahrungsquelle. Im Vergleich zu Hühnern, Kühen und Ziegen fressen sie nicht oft. Und 82 % der Masse einer lebenden Schlange können zu "verwertbaren Produkten" werden, schreiben die Forscher.

Beide Arten sind schnell gewachsen - bis zu 46 Gramm pro Tag, wobei die Weibchen schneller wuchsen als die Männchen. Die Wachstumsrate in den ersten beiden Lebensmonaten sagte am besten die spätere Körpergröße voraus.

Die Forscher wählten außerdem 58 Schlangen auf der Farm in Ho Chi Minh Stadt (Vietnam) aus und fütterten sie mit unterschiedlicher proteinreicher Kost, u.a. mit Huhn, Schweinefleischabfällen, Nagetieren und Fischmehl. Für je 4,1 Gramm verzehrter Nahrung konnten die Forscher 1 Gramm Pythonfleisch ernten. "Hinsichtlich des Verhältnisses von Nahrung und Proteinverwertung übertreffen Pythons alle bisher untersuchten landwirtschaftlichen Arten", schreiben die Forscher.

Ein weiteres positives Ergebnis: die Reptilien konnten über lange Zeiträume (20 bis zu 127 Tage) fasten, ohne viel an Körpermasse zu verlieren - rein theoretisch könnte man das Füttern für ein Jahr aussetzen - was bedeutet, dass sie weniger Arbeit für die Fütterung benötigten als herkömmliche Zuchttiere.

Und ja, Schlangenfleisch schmeckt wie Huhn aber geschmackvoller.

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Anmerkung der Redaktion

Die Washington Post hat den Artikel von Natusch et al., [1] gestern unter dem Titel "Want a more sustainable meat for the grill? Try a 13-foot python steak." kommentiert https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2024/03/14/snake-meat-food-sustainability-python/:

Wenn auch Schlangen in absehbarer Zeit wohl kaum einen großen Teil der westlichen Ernährung ausmachen werden, so spricht dennoch Einiges für eine Pythonzucht als Antwort auf eine weltweite Ernährungsunsicherheit infolge des Klimawandels. 

     Pythons sind recht einfach zu halten -sie sind von Natur aus sesshaft und koexistieren problemlos mit anderen Schlangen. Es gibt nur wenige der komplexen Tierschutzprobleme, die bei Vögeln und Säugetieren in Käfigen auftreten.

    Pythons sind hitzetolerant und widerstandsfähig gegenüber Nahrungsmittelknappheit und in der Lage Proteine "weitaus effizienter als alle anderen bisher untersuchten Arten" zu produzieren. Sie brauchen sehr wenig Wasser. Ein Python kann von dem Tau leben, der sich auf seinen Schuppen bildet. Theoretisch könnte man einfach ein Jahr lang aufhören, sie zu füttern.

In einer Welt, in der Prognosen zufolge der Klimawandel zu extremeren Wetter- und Umweltkatastrophen führen wird, ist eine Art, die hitzetolerant und widerstandsfähig gegenüber Nahrungsmittelknappheit ist und in der Lage Proteine "weitaus effizienter als alle anderen bisher untersuchten Arten" zu produzieren, "fast ein wahr gewordener Traum".

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 [1] Natusch, D., Aust, P.W., Caraguel, C. et al. Python farming as a flexible and efficient form of agricultural food security. Sci Rep 14, 5419 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-54874-4

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* Der Artikel ist erstmals am 14. März 2024 in PLOS Blogs - DNA Science Blog unter dem Titel "Cultivated Meat? Let Them Eat Snake" https://dnascience.plos.org/2024/03/14/cultivated-meat-let-them-eat-snake/ erschienen und steht unter einer cc-by Lizenz . Die Autorin hat sich freundlicherweise mit der Übersetzung ihrer Artikel durch ScienceBlog.at einverstanden erklärt, welche so genau wie möglich der englischen Fassung folgt.

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Artikel in ScienceBlog.at

I. Schuster, 11.09.2021: Rindersteaks aus dem 3D-Drucker - realistische Alternative für den weltweiten Fleischkonsum?

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Do, 07.03.2024 — Christina Beck

Laut einer 2023 veröffentlichten Studie der Weltgesundheitsorganisation ist jeder sechste Mensch im gebärfähigen Alter zumindest zeitweise unfruchtbar. Prof. Dr. Melina Schuh, Direktorin am Max-Planck-Institut für Multidisziplinare Naturwissenschaften (Götttingen) und ihr Team erforschen den Reifungsprozess der Eizelle und zeigen, dass und warum dieser sehr fehleranfällig ist und zu falscher Chromosomenverteilung (Aneuploidie) in der Eizelle führen kann: Diesen Eizellen dürfte ein wichtiges Motor-Protein (KIFC1) zur Stabilisierung der Maschine fehlen, welche die Chromosomen während der Zellteilung korrekt trennen sollte. Das Einbringen dieses Motor-Proteins in menschliche Oozyten stellt somit einen möglichen neuen Ansatz dar, um Kinderwunsch erfolgreicher behandeln zu können. Die Zellbiologin Christina Beck, Leiterin der Kommunikation der Max-Planck-Gesellschaft, berichtet darüber und über den bislang noch nicht völlig verstandenen Prozess, der am Anfang unseres Lebens steht.*

Global sind 17,5 Prozent aller Männer und Frauen demnach an einem Punkt in ihrem Leben davon betroffen, kein Kind zeugen zu können. Ausgewählt und ausgewertet wurden dazu 133 aus weltweit mehr als 12.000 Studien, die zwischen 1990 und 2021 entstanden sind. In Deutschland ist fast jedes zehnte Paar zwischen 25 und 59 Jahren ungewollt kinderlos. Die Gründe dafür sind vielfältig und – das ist wichtig zu wissen – betreffen beide Geschlechter. Tatsächlich sind die medizinischen Ursachen für Unfruchtbarkeit bei Männern und Frauen gleichverteilt (Abbildung 1). Die Hauptursache für ungewollte Kinderlosigkeit liegt hierzulande vor allem darin, dass die Menschen sich immer später für eine Elternschaft entscheiden. Das betrifft Männer wie Frauen gleichermaßen. Das Alter der Erstgebärenden ist in den vergangenen Jahrzehnten stetig gestiegen, ebenso wie das der Väter.

Abbildung 1: Verteilung der Unfruchtbarkeit: Verschiedene physiologische Faktoren können zur Unfruchtbarkeit beitragen und betreffen die Frau, den Mann oder beide Partner. Die prozentualen Anteile unterscheiden sich je nach Studie und untersuchten Kriterien. Die Angaben in der Abbildung stellen ungefähre Werte dar. (© Zahlen nach Forti, G. (1998), doi: 10.1210/jcem.83.12.5296 // Grafik: HNBM CC BY-NC-SA 4.0)

So waren einer Studie des Max-Planck-Instituts für demografische Forschung in Rostock zufolge schon 2013 sechs Prozent aller Neuväter in Deutschland 45 Jahre oder älter und damit fast drei Mal so viele wie noch 1995. Es ist zwar richtig, dass Männer im Durchschnitt deutlich länger fruchtbar sind als Frauen. Etwa ab 40 bis 50 Jahren verschlechtert sich jedoch die Funktion der Spermien, weil sich genetische Defekte in den Samenzellen häufen. Wenn es insgesamt mehr Spermien mit Chromosomenstörungen gibt, dann dauert es länger, bis die Frau schwanger wird. Und abgesehen vom Alter gibt es weitere Faktoren, die die Zeugungsfähigkeit von Männern einschränken können – medizinische ebenso wie durch den Lebensstil implizierte wie Alkohol, Rauchen oder Übergewicht.

Keine lebenslange Reserve

Bei Frauen enden die fruchtbaren Jahre deutlich früher. Im Alter zwischen 20 und 24 Jahren haben sie ihre höchste Fruchtbarkeit. Je älter Frauen werden, desto mehr sinkt jedoch die Wahrscheinlichkeit, schwanger zu werden, während die Wahrscheinlichkeit einer Unfruchtbarkeit ansteigt (Abbildung 2). Und das hängt ganz maßgeblich mit den Eizellen zusammen. So wird eine Frau bereits mit ihrer gesamten Reserve an Eizellen geboren. Im Laufe des Lebens entstehen keine neuen Eizellen mehr. Bei Geburt sind rund eine Million unreife Eizellen (Oozyten) angelegt. Die meisten sterben ab – zu Beginn der Pubertät sind noch etwa 300.000 übrig. Ihre Zahl nimmt dann weiter kontinuierlich ab. Bei einer von 100 Frauen ist die Eizellreserve bereits vor dem 40. Lebensjahr komplett erschöpft. Auch die Qualität der Eizellen sinkt ab dem 35. Lebensjahr deutlich. So steigt der Anteil jener Eizellen, die eine von der Norm abweichende Anzahl an Chromosomen aufweisen (man bezeichnet diese Eizellen als aneuploid). Bei Frauen ab 35 Jahren treten bei mehr als 50 Prozent der Eizellen Aneuploidien auf. Man spricht hier vom „maternal age effect“ (mütterlicher Alterseffekt).

Abbildung 2: Die biologische Uhr tickt © Quellen: Carcio, H. A.: Management of the Infertile Woman; Rosenthal, M. S.: The Fertility Sourcebook (1998) // Grafik: HNBM

Am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften in Göttingen erforscht das Team um Melina Schuh die Entwicklung von Eizellen – und was dabei alles schief gehen kann. Denn tatsächlich sind bereits bei jungen Frauen im Alter von 20 bis Anfang 30 mehr als 20 Prozent der Eizellen aneuploid. „Im Gegensatz dazu sind nur ein bis zwei Prozent der Spermien und weniger als ein Prozent der meisten somatischen Zelltypen aneuploid“, erklärt Schuh. Wenn diese fehlerhaften Eizellen befruchtet werden, dann führt das typischerweise zu Fehlgeburten oder auch zu Unfruchtbarkeit. Statistisch führt nur jede dritte Befruchtung bei Frauen zu einer erfolgreichen Schwangerschaft.

Falsch aussortiert

Eine reife Eizelle entwickelt sich aus einer Oozyte, die noch jeweils zwei Kopien von jedem Chromosom besitzt, also diploid ist. Um ein befruchtungsfähiges Ei zu werden, muss sie daher die Hälfte ihrer 46 Chromosomen ausschleusen. Dies geschieht einmal pro Menstruationszyklus in einer spezialisierten Zellteilung, der Reifeteilung I. Dabei werden die homologen Chromosomen der Oozyten mithilfe einer komplexen Maschinerie – dem Spindelapparat – getrennt. Er besteht aus Spindelfasern, die sich während der Meiose an die Chromosomen anheften. Die Fasern ziehen dann jeweils eines der homologen Chromosomen zu den gegenüberliegenden Polen der Spindel. Die Oozyte teilt sich dazwischen in eine große, nun haploide Eizelle und eine deutlich kleinere „Abfallzelle“, den sog. Polkörper. Abbildung 3.

 

Abbildung 3: . Reifeteilung einer menschlichen Oozyte. Diese Vorläuferzelle der Eizelle ist diploid, d.i. sie besitzt noch zwei Kopien eines jeden Chromosoms. Während der Reifeteilung halbiert der Spindelapparat (grün) den Chromosomensatz, indem er die Chromosomenpaare (magenta) voneinander trennt. (Quelle: © Chun So / MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften.)

„Genau das klappt jedoch oftmals nicht zuverlässig, sodass eine Eizelle mit falscher Chromosomenzahl entsteht“, erklärt Melina Schuh. Das Max-Planck-Forschungsteam will daher verstehen, wie die Zelle die Chromosomen vorbereitet, um sie in den Polkörper zu entsorgen, und wie die Maschinerie im Detail funktioniert, die die Chromosomen zwischen Eizelle und Polkörper verteilt. Die große Herausforderung dabei: Bei Säugetieren entwickeln sich die Oozyten im Inneren des Körpers. Um diesen Vorgang überhaupt untersuchen zu können, musste Schuh einen Weg finden, die Zellen außerhalb des Körpers zu kultivieren, und zwar so, dass sie diese über viele Stunden hinweg unter einem hochauflösenden Mikroskop untersuchen kann – eine Pionierleistung, die ihr schon während ihrer Promotion gelang.

Wichtiger Brückenbauer

„Was wir bereits wussten ist, dass menschliche Eizellen häufig Spindeln mit instabilen Polen bilden. Solche labilen Spindeln ordnen die Chromosomen bei der Zellteilung falsch an oder bringen sie durcheinander“, berichtet Schuh. Damit sind menschliche Oozyten im Tierreich eher eine Ausnahme. „Die Spindeln anderer Säugetier-Oozyten waren in unseren Experimenten sehr stabil“, so die Max-Planck-Direktorin. Um herauszufinden, was menschliche Spindeln derart labil macht, verglich das Team das molekulare Inventar an Proteinen, das für die Spindelstabilität erforderlich ist, in verschiedenen Säugetier-Oozyten. Für diese Versuche nutzten die Forschenden auch unbefruchtete unreife menschliche Eizellen, die nicht für die Kinderwunschbehandlung verwendet werden konnten und von den Patientinnen gespendet wurden. Ein Motorprotein (Motorproteine erzeugen Bewegungen innerhalb der Zelle) mit dem Namen KIFC1 weckte besondere Aufmerksamkeit: Es baut Brücken zwischen den Spindelfasern, hilft so, die Fasern richtig auszurichten, und verhindert, dass sie auseinanderfallen. Interessanterweise enthalten Oozyten von Mäusen und Rindern im Vergleich zu menschlichen Oozyten deutlich mehr von diesem Protein. Beeinflusst die Menge des Proteins somit möglicherweise die Stabilität der Spindeln?

Abbildung 4: Instabile Spindeln. Oben: Entfernt man den molekularen Motor KIFC1 aus Mäuse- und Rinder-Oozyten, entstehen multipolare Spindeln und Fehler bei der Chromosomentrennung, wie sie auch bei menschlichen Oozyten mit instabilen Spindeln beobachtbar sind. Die gelben Pfeile weisen auf die instabilen Spindelpole. Unten: Menschliche Eizellen bilden oft Spindeln mit mehreren Polen (blaue Kreise). Wird zusätzliches KIFC1 in die Eizelle eingebracht, verbessert es die Stabilität der bipolaren Spindel, indem es deren Mikrotubuli (blau) vernetzt. Die homologen Chromosomen (magenta) werden korrekt getrennt. © Foto: Chun So / MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften; Grafik: HNBM / CC BY NC-SA 4.0

Um das herauszufinden, entfernten die Forschenden KIFC1 aus den Oozyten von Mäusen und Rindern. Das Ergebnis: Ohne das Protein bildeten auch Mäuse- und Rinder-Oozyten instabile Spindeln und es kam zu mehr Fehlern bei der Chromosomentrennung (Abbildung 4). „Unsere Versuche legen tatsächlich nahe, dass KIFC1 entscheidend dazu beiträgt, Chromosomen bei der Meiose fehlerfrei zu verteilen“, erklärt Schuh. Könnte das Protein daher ein Ansatzpunkt sein, um Fehler bei der Chromosomentrennung in menschlichen Eizellen zu reduzieren? „Für uns war die spannende Frage, ob die Spindel stabiler wird, wenn wir zusätzliches KIFC1 in menschliche Oozyten einbringen“, erklärt Schuh. Unter dem Mikroskop waren in den Zellen, die zusätzliche Mengen des Motorproteins enthielten, die Spindeln deutlich intakter und es traten weniger Fehler beim Trennen der Chromosomen auf. „Das Einbringen von KIFC1 in menschliche Oozyten ist somit ein möglicher Ansatz, um Fehler in Eizellen zu reduzieren“, hofft die Max-Planck-Forscherin.

Aber das ist nicht der einzige Entwicklungsschritt, der fehlerbehaftet ist (Abbildung 5). Das Göttinger Team hat sich insbesondere gefragt, warum das Risiko, aneuploide Eizellen zu erzeugen, für Frauen in fortgeschrittenem Alter deutlich höher ist und dabei das sogenannte Zygoten-Stadium in den Blick genommen, also die Phase direkt nach der Vereinigung von Spermium und Eizelle. Während nämlich in der Reifeteilung I die homologen Chromosomen auf Eizelle und Polkörper verteilt werden, werden in der Reifeteilung II nach der Befruchtung die Schwesterchromatiden eines jeden homologen Chromosoms voneinander getrennt und auf die Zygote und einen zweiten Polkörper verteilt.

Abbildung 5: Was alles bei der Verteilung schief gehen kann. Reifeteilung I: Während der Reifeteilung I kann es zu einer fehlerhaften Trennung kommen, bei der die homologen Chromosomen falsch verteilt werden (Ia). Es kann auch ein einzelnes Chromatid falsch zugeordnet werden (Ib) oder beide Schwesterchromatiden verteilen sich umgekehrt (Ic). Durch diese inverse Verteilung besitzt die Eizelle zwar die richtige Chromosomenzahl, doch die Chromatiden stammen von verschiedenen homologen Chromosomen und sind nicht mehr durch Kohäsin verbunden, was die Ausrichtung und Trennung in der Reifeteilung II beeinträchtigen kann. Reifeteilung II: In der Reifeteilung II kann es zu einer fehlerhaften Trennung kommen, bei der beide Schwesterchromatiden entweder in der Zygote verbleiben (IIa) oder im zweiten Polkörper entsorgt werden (IIb). © MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften / Grafik: HNBM / CC BY-NC-SA 4.0

Alter Chromosomen-Kleber

Ringförmige Proteinstrukturen, sogenannte Kohäsin-Komplexe, halten die Schwesterchromatiden zusammen. Sie werden im weiblichen Embryo sehr früh während der DNA-Verdopplung installiert. Studien an Maus-Oozyten zeigen, dass Kohäsin-Komplexe später im Leben nicht mehr neu installiert werden können. „Wenn dies auch für menschliche Oozyten gilt, dann müssen Kohäsin-Komplexe die Chromosomen mehrere Jahrzehnte des Lebens zusammenhalten, bevor sie bei einem Ovulationszyklus zur korrekten Chromosomentrennung beitragen“, erklärt Schuh. Mit fortschreitendem Alter geht das Kohäsin jedoch verloren – zumindest bei der Maus –, was zu einer vorzeitigen Trennung der Schwesterchromatiden während der Reifeteilung I führt. „Wenn die Schwesterchromatiden bereits getrennt sind, dann werden sie zufällig und somit gegebenenfalls eben fehlerhaft zwischen den beiden Spindelpolen verteilt“, erklärt die Wissenschaftlerin. Ob Kohäsin auch in menschlichen Eizellen aus den Chromosomen verloren geht, ist noch nicht klar. Allerdings erfahren Chromosomen in menschlichen Oozyten während der Alterung ähnliche Strukturveränderungen wie die Forschenden sie in Oozyten älterer Mäuse beobachten.

Kinderwunsch erfüllen

Es besteht also weiterhin Forschungsbedarf und somit viel Arbeit für Melina Schuh und ihr Team in Göttingen. Für die Durchführung entsprechender Studien bedarf es immer wieder auch neuer Methoden, die in Schuhs Abteilung in den vergangenen Jahren entwickelt wurden, wie beispielsweise jene, mit der Proteine aus Eizellen funktional untersucht werden können. Ihr erklärtes Ziel dabei: „Wir möchten mehr Paaren helfen, ihren Kinderwunsch zu erfüllen und auch dazu beitragen, dass es mehr Geburten mit weniger In-vitro-Fertilisationszyklen gibt, dass also Kinderwunschbehandlung effizienter ablaufen kann“, so die Forscherin.

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 *Der Artikel ist erstmals unter dem Titel: "Chromosomen-Durcheinander in der Eizelle" https://www.max-wissen.de/max-hefte/meiose/ in BIOMAX 39, Frühjahr 2024 erschienen und wurde mit Ausnahme des Abstracts und der Legende zu Abbildung 3 unverändert in den Blog übernommen. Der Text steht unter einer CC BY-NC-SA 4.0 Lizenz.

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Weiterführende Links

Meiose-Forschung am Max-Planck-Institut für Multidisziplinare Naturwissenschaften (Götttingen): https://www.mpinat.mpg.de/de/mschuh

Von der Erforschung der Eizelle bis zum Kinderwunsch | Prof. Dr. Melina Schuh. Video (12.2023) 1:01:55. https://www.youtube.com/watch?v=em-C4OMwEYc

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Do, 29.02.2024 — IIASA

Während eines Krieges können aufgrund militärischer Aktionen die Treibhausgasemissionen erheblich ansteigen; die Leitlinien des Weltklimarats (IPCC) zur Emissionsberichterstattung sind allerdings ausschließlich auf Friedensszenarien zugeschnitten. Eine kürzlich veröffentlichte Studie bringt nun erstmals etwas Licht in die mit Krieg verbundenen Treibhausgasemissionen. Mit dem Hauptaugenmerk auf diese hat ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter mehrere Forscher vom Internationalen Institut für Angewandte Systemanalyse (IIASA, Laxenburg bei Wien) die ersten 18 Monate seit Beginn des Krieges in der Ukraine und dessen Folgen untersucht [1]. Die Ergebnisse zeigen die Grenzen des derzeitigen Rahmens für die Emissionsberichterstattung im Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (UNFCCC) auf.*

Bewaffnete Konflikte auf der ganzen Welt lasten am schwersten auf den Schultern der einfachen Bevölkerung und führen zu erhöhter Verwundbarkeit, Sterblichkeit und Morbidität sowie zu politischer Instabilität und Zerstörung der Infrastruktur. Abgesehen von den sozialen, wirtschaftlichen und politischen Folgen haben bewaffnete Konflikte jedoch auch schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt und führen zu deren verstärkter Zerstörung und Verschmutzung. Abbildung 1. Schlussendlich bringen sie zusätzliche Belastungen für den internationalen politischen Rahmen und zeigen Herausforderungen auf, die man bis dahin möglicherweise noch nicht berücksichtigt hatte.

Abbildung 1. Veranschaulichung der durch militärische Aktionen in der Ukraine verursachten Treibhausgasemissionen, die in der offiziellen nationalen Berichterstattung und den globalen Schätzungen möglicherweise nicht berücksichtigt werden: Einsatz von Bomben, Raketen, Artilleriegeschossen, Minen und Kleinwaffen (a); Verwendung von Erdölprodukten für militärische Zwecke (b); Emissionen aus Bränden von Erdölprodukten in Erdöllagern (c); Emissionen aus Bränden von Gebäuden und Infrastruktureinrichtungen (d); Emissionen aus Waldbränden und Bränden auf landwirtschaftlichen Flächen (e); Emissionen aus Müll/Abfall (f).(Bild aus R. Bun et al., 2024; Lizenz: cc-by-nc-nd).

Im Rahmen des Pariser Abkommens sind die Unterzeichnerstaaten verpflichtet, ihre Treibhausgas-emissionen an das UNFCCC zu melden, um die Bemühungen zur Emissionsreduzierung zu evaluieren und strengere Ziele zur Begrenzung des globalen Temperaturanstiegs festzulegen.

In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Science of the Total Environment veröffentlicht wurde, zeigen die Autoren, dass eine genaue Erfassung der in die Atmosphäre abgegebenen Treibhausgas-emissionen notwendig ist [1].

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass militärische Emissionen eine ungewöhnliche Herausforderung darstellen, da sie in den derzeitigen Berichterstattungsrahmen nicht explizit berücksichtigt werden; THG-Emissionen, insbesondere solche aus menschlichen Aktivitäten, werden in der Regel anhand sogenannter "Aktivitätsdaten" wie Kraftstoffverbrauch, Verkehrszählungen und anderen sozioökonomischen Daten geschätzt", erklärt Linda See, Studienautorin und Mitglied der Forschungsgruppe Novel Data Ecosystems for Sustainability des IIASA Advancing Systems Analysis Program.

Der Hauptautor der Studie, Rostyslav Bun, Professor an der Lviv (Lemberg) Polytechnic National University in der Ukraine und der WBS University in Polen, hat die Auswirkungen des Krieges auf die Fähigkeit der Ukraine kommentiert, seit 2022 grundlegende Aktivitätsdaten zu sammeln; er hat darauf hingewiesen, dass infolge des Kriegs die Infrastruktur des Landes, einschließlich der Möglichkeiten der Datenerhebung, erheblich beeinträchtigt und zerstört wurde. Darüber hinaus betont Bun, dass bei Befolgung der aktuellen UN-Konvention alle Emissionen der Ukraine zugerechnet würden, einschließlich derjenigen, die aus kriegsbedingten Schäden resultieren.

"Auch wenn die Verfolgung von kriegsverursachten Emissionen aufgrund der Art der militärischen Aktivitäten und des Mangels an Informationen eine Herausforderung darstellt, schätzt unsere Studie die Treibhausgasemissionen anhand der besten verfügbaren Daten", erklärt Matthias Jonas, Mitautor der Studie und Gastwissenschaftler im IIASA Advancing Systems Analysis Program. "Die internationalen politischen Rahmenwerke sind auf eine derartige Situation nicht vorbereitet und dies zeigt eine wichtige Einschränkung unseres derzeitigen Ansatzes für das Netto-Null-Emissionen Ziel auf. Dieses geht von einer Welt ohne Konflikte aus und entspricht leider nicht der Realität, mit der wir heute konfrontiert sind. Wenn auch bewaffnete Konflikte zweifellos die lokale Bevölkerung am härtesten treffen, ist es wichtig, dass wir auch die Auswirkungen analysieren, die sie auf unsere Umwelt auf globaler Ebene haben können."

Abbildung 2. Treibhausgasemissionen in Friedenszeiten versus Kriegszeiten. Eine Analyse der öffentlich zugänglichen Daten gestützt auf das Urteil von Experten, um Emissionen aus (1) dem Einsatz von Bomben, Raketen, Artilleriegeschossen und Minen, (2) dem Verbrauch von Erdölprodukten für militärische Operationen, (3) Bränden in Erdöllagern und Raffinerien, (4) Bränden in Gebäuden und Infrastruktureinrichtungen, (5) Bränden auf Wald- und landwirtschaftlichen Flächen und (6) der Zersetzung von kriegsbedingtem Müll zu schätzen. Die Schätzung dieser kriegsbedingten Emissionen von Kohlendioxid, Methan und Lachgas für die ersten 18 Monate des Krieges in der Ukraine beläuft sich auf 77 MtCO2-eq. mit einer relativen Unsicherheit von +/-22 % (95 % Vertrauensintervall)). (Bild aus R. Bun et al., 2024; Lizenz: cc-by-nc-nd).

Die Studie konzentriert sich auf Emissionen, die aus kriegsbedingten Aktivitäten resultieren und in den offiziellen nationalen Berichten  nicht erfasst sein dürften. Sie legt nahe, dass die Summe dieser "nicht erfassten" Emissionen von Kohlendioxid, Methan und Lachgas in den 18 Monaten des Krieges die jährlichen Emissionen einiger europäischer Länder wie Österreich, Ungarn und Portugal überstiegen hat. Abbildung 2.

"Der Krieg beeinträchtigt unsere Befähigung, Emissionen über die auf Aktivitätsdaten basierende Berichterstattung global und nicht nur regional zu überwachen, wie dies bei der globalen Ernährungssicherheit und bei humanitären Fragen der Fall ist", fügt Tomohiro Oda, leitender Wissenschaftler bei der Universities Space Research Association in den USA, hinzu und unterstreicht damit die Bedeutung der Emissionsüberwachung durch Atmosphärenbeobachtung, die unabhängig von Aktivitätsdaten ist.

Die Ergebnisse der Studie werden auf der Generalversammlung 2024 der Europäischen Geowissenschaftlichen Union (EGU) in Wien, Österreich, im April 2024 vorgestellt und weiter diskutiert.

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[1] Bun, R., Marland, G., Oda, T., See, L. et al. (2024). Tracking unaccounted greenhouse gas emissions due to the war in Ukraine since 2022. Science of the Total Environment, 914. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.169879https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969724000135

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*Der Artikel " Significant greenhouse gas emissions resulting from conflict in Ukraine" ist am 15.Feber 2024 auf der IIASA Website erschienen (https://iiasa.ac.at/news/feb-2024/significant-greenhouse-gas-emissions-resulting-from-conflict-in-ukraine). Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und mit 2 Abbildungen aus der Originalarbeit [1] ergänzt. IIASA hat freundlicherweise der Veröffentlichung der von uns übersetzten Inhalte seiner Website und Presseaussendungen in unserem Blog zugestimmt.

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Do,22.02.2024 — Redaktion

Der durch nichts zu rechtfertigende russische Überfall auf die Ukraine am 24.Feber 2022 hat damals in Russland einen sofortigen Tsunami des Protests ausgelöst: Bis zum 4. März haben über 1,18 Millionen Russen Petitionen gegen den Krieg mit der Ukraine unterschrieben. Wissenschaftler und Lehrer, Architekten und Designer, Ärzte und IT-Spezialisten, Journalisten und Schriftsteller, Werbefachleute und Psychologen, Kulturschaffende und Vertreter des Klerus, und andere haben darin den Krieg als ungerechtfertigt, schändlich und kriminell bezeichnet. Der Protest fand schnell ein Ende: Tausende Demonstranten wurden verhaftet und mit einem am 4. März verabschiedeten Gesetz wurden das Verbreiten angeblicher "Falschinformationen" über russische Soldaten, das Diskreditieren russischer Streitkräfte und auch Aufrufe zu Sanktionen gegen Russland unter Strafe - Geld- und Haftstrafen bis zu 15 Jahren - gestellt. Aus Angst, dass die Unterzeichner der Petitionen von den russischen Behörden verfolgt würden, haben die Initiatoren der Aufrufe diese gelöscht. Um den mutigen Protest der Russen in Erinnerung zu rufen, stellen wir den Blogartikel vom 4.3.2022 nochmals online.

Stoppt den Krieg mit der Ukraine! Bereits über 1,18 Millionen Russen haben Petitionen unterschrieben (Blogartikel vom 4.3.2022):

Wenn man Presse und Medien verfolgt, gewinnt man den Eindruck, dass die Menschen in Russland kaum erfahren, was sich derzeit in der Ukraine abspielt und/oder dass sehr viele den Lügen der Regierung Glauben schenken. Diejenigen, von denen man annimmt, dass sie Bescheid wissen, hält man aber für zu apathisch und vor allem zu mutlos, um gegen die kriminellen Militäraktionen ihrer Machthaber die Stimme zu erheben. Dass bereits 6440 Anti-Kriegs Demonstranten in brutaler Weise von den russischen Sicherheitskräften festgenommen wurden, zeigt ja, dass solche Proteste mit einem nicht zu unterschätzenden Risiko für Leib und Leben verbunden sind.

Nun, viele Russen sind nicht apathisch, viele Russen zeigen Mut offen den Krieg mit der Ukraine zu verurteilen, den sie ebenso wie nahezu alle Staaten der Welt als ungerechtfertigt, schändlich und kriminell sehen. Seit dem Tag des Einmarsches in die Ukraine wurden von unterschiedlichsten russischen Bevölkerungsgruppen "Offene Briefe" gegen den Krieg verfasst und unterzeichnet. Einer dieser, von russischen Wissenschaftlern und - Journalisten verfassten "offenen Briefe" wurde bereits von über 7 000 Russen unterzeichnet; er ist im ScienceBlog unter Es gibt keine rationale Rechtfertigung für den Krieg mit der Ukraine: Tausende russische Wissenschaftler und Wissenschaftsjournalisten protestieren gegen den Krieg nachzulesen.

Lew Ponomarjow: Gegen den Krieg - Net Voyne

Der russische Physiker und Mathematiker Lew Ponomarjow , ein bekannter Politiker und Menschenrechtsaktivist hat auf dem Portal www.change.org/ eine Petion gestartet, in der er gegen den Krieg in der Ukraine aufruft und klare Worte spricht:

Abbildung 1. Der Aufruf von Lew Ponomarjow Njet Woynje wurde bereits von mehr als 1,18 Mio Menschen unterzeichnet. (Grafik nach den Zahlen auf www.change.org/ (https://rb.gy/ctnvxk) von der Redaktion erstellt.)

"Wir betrachten alle als Kriegsverbrecher, die die Entscheidung für kriegerische Aktionen im Osten der Ukraine und für die von den Machthabern abhängige kriegsauslösende Propaganda in den russischen Medien rechtfertigen. Wir werden versuchen, sie für ihre Taten zur Rechenschaft zu ziehen.

Wir appellieren an alle vernünftigen Menschen in Russland, von deren Taten und Worten etwas abhängt. Werden Sie Teil der Antikriegsbewegung, stellen Sie sich gegen den Krieg. Tun Sie dies zumindest, um der ganzen Welt zu zeigen, dass es in Russland Menschen gab, gibt und geben wird, die die von den Machthabern begangene Niederträchtigkeit nicht akzeptieren werden, die den Staat und die Völker Russlands selbst zu einem Instrument ihrer Verbrechen gemacht haben. "

Am Tag 9 des Krieges um 12:00 h haben bereits 1 175 786 Menscchen ihre Unterschriften unter den Aufruf gesetzt, um 23:00 waren es 1.181.101, Tendenz weiter steigend. Abbildung 1.

Wir sind nicht allein - My ne odni

Die Webseite https://we-are-not-alone.ru/ hat eine Liste der zahlreichen russischen Petitionen gegen den Krieg in der Ukraine erstellt mit Links zu den Originaldokumenten - die meisten auf der Plattform https://docs.google.com/ - und laufend aktualisierten Zahlen der Unterzeichner. Die Seite gibt an:

"Wir möchten, dass Sie wissen, dass Lehrer und Nobelpreisträger, Ärzte und Designer, Journalisten und Architekten, Schriftsteller und Entwickler, Menschen aus dem ganzen Land bei Ihnen sind. Wir sind nicht alleine"

Gestern nachts (3.3.2022) hat diese Webseite noch funktioniert, heute kann sie leider nicht mehr aufgerufen werden. Laut  https://ura.newssind diverse Medienportale - u.a. we are not alone.ru - in der Ukraine einem Cyberangriff zum Opfer gefallen.

Proteste aus ganz Russland

Bis gestern war es einfach die "offenen Briefe" diverser Berufsgruppen/Institutionen von der Seite https://we-are-not-alone.ru/ abzurufen. Einige dieser Texte sollen als Beispiele für den furchtlosen Protest russischer Bürger dienen (s. unten). Mit Stand 3.3.2022 hatten bereits mehr als 156 000 Mitglieder einzelner Berufsgruppen Aufrufe gegen den Krieg mit der Ukraine unterschrieben; die Tendenz war stark steigend. Zur Veranschaulichung ist eine kleine Auswahl von Berufsgruppen in Abbildung 2. dargestellt.

Abbildung 2: Aufrufe "Gegen den Krieg in der Ukraine" von Migliedern der IT-Branche und der Wirtschaft und von Vertretern aus Politik, Recht und Gesellschaft. Berufsgruppen und deren Aufrufe konnten von der nun nicht mehr einsehbaren Seite https://we-are-not-alone.ru/ entnommen werden. Die Zahlen der jeweiligen Unterschriften wurden am 3.3.2022 erhoben.

Zweifellos beweisen zahlreiche Vertreter politischer Parteien, Anwälte aber auch Mitglieder des Klerus den Mut namentlich gegen den Krieg Stellung zu beziehen!

Auch Ärzte und andere im Gesundheitssektor Beschäftigte, Kunst- und Kulturschaffende, Sportler und Vertreter der Freizeitindustrie, Architekten und Designer, Vertreter in allen möglichen Branchen von Industrie, und, und, und,..... wurden aufgerufen die Protestnoten gegen den Krieg zu unterzeichnen und die Zahl der Unterschriften steigt und steigt.

Eine Auswahl von Institutionen und Vertretern aus Wissenschaft und Bildung findet sich in Abbildung 3. Hier sind vor allem Aufrufe von verschiedenen Fakultäten der berühmtesten russischen Universität, der Lomonosow Universiät hervorzuheben.

Abbildung 3: Aufrufe "Gegen den Krieg in der Ukraine" von Vertretern aus Wissenschaft und Bildungssektor. Links zu den einzelnen Aufrufen wurden der nun nicht mehr aufrufbaren Seite https://we-are-not-alone.ru/. entnommen, Die Zahl der jeweiligen Unterschriftenwurde am 3.3.2022 erhoben.

Um einen Eindruck von den Protestschreiben zu gewinnen , sind im Folgenden einige dieser Texte wiedergegeben. (Siehe auch Es gibt keine rationale Rechtfertigung für den Krieg mit der Ukraine: Tausende russische Wissenschaftler und Wissenschaftsjournalisten protestieren gegen den Krieg)

Offener Brief der Gemeinschaft der Staatlichen Universität Moskau (Lomonosov Universität) gegen den Krieg

https://msualumniagainstwar.notion.site/0378ab0a0719486181781e8e2b360180

(Bis jetzt : 5795 Unterschriften)

Wir, Studenten, Doktoranden, Lehrer, Mitarbeiter und Absolventen der ältesten, nach M.V. Lomonosov benannten Universität Russlands, verurteilen kategorisch den Krieg, den unser Land in der Ukraine entfesselt hat.

Russland und unsere Eltern haben uns eine fundierte Ausbildung vermittelt, deren wahrer Wert darin liegt, das Geschehen um uns herum kritisch zu bewerten, Argumente abzuwägen, einander zuzuhören und der Wahrheit treu zu bleiben – wissenschaftlich und humanistisch. Wir wissen, wie man die Dinge beim richtigen Namen nennt und wir können uns nicht absentieren.

Das was die Führung der Russischen Föderation in deren Namen als „militärische Spezialoperation“ bezeichnet, ist Krieg, und in dieser Situation ist kein Platz für Euphemismen oder Ausreden. Krieg ist Gewalt, Grausamkeit, Tod, Verlust geliebter Menschen, Ohnmacht und Angst, die durch kein Ziel zu rechtfertigen sind. Krieg ist der grausamste Akt der Entmenschlichung, der, wie wir innerhalb der Mauern von Schulen und Universität gelernt haben, niemals wiederholt werden sollte. Die absoluten Werte des menschlichen Lebens, des Humanismus, der Diplomatie und der friedlichen Lösung von Widersprüchen, wie wir sie an der Universität erfahren durften, wurden sofort mit Füßen getreten und weggeworfen, als Russland auf verräterische Weise in das Territorium der Ukraine eindrang. Seit dem Einmarsch der Streitkräfte der Russischen Föderation in die Ukraine ist das Leben von Millionen Ukrainern stündlich bedroht.

Wir bringen dem ukrainischen Volk unsere Unterstützung zum Ausdruck und verurteilen kategorisch den Krieg, den Russland gegen die Ukraine entfesselt hat.

Als Absolventen der ältesten Universität Russlands wissen wir, dass die Verluste, die in den sechs Tagen eines blutigen Krieges angerichtet wurden – vor allem menschliche, aber auch soziale, wirtschaftliche und kulturelle – irreparabel sind. Wir wissen auch, dass Krieg eine humanitäre Katastrophe ist, aber wir können uns nicht ausmalen, wie tief die Wunde ist, die wir als Volk Russlands dem Volk der Ukraine und uns selbst gerade jetzt zufügen.

Wir fordern, dass die Führung Russlands sofort das Feuer einstellt, das Territorium des souveränen Staates Ukraine verlässt und diesen schändlichen Krieg beendet.

Wir bitten alle russischen Bürger, denen ihre Zukunft am Herzen liegt, sich der Friedensbewegung anzuschließen.

Wir sind gegen Krieg!

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Offener Brief von Absolventen der Philologischen Fakultät der Lomonosow-Universität

https://rb.gy/ppxx09

(Bis jetzt : 1 071 Unterschriften)

Wir Absolventen der Philologiefakultät der Staatlichen Universität Moskau fordern ein sofortiges Ende des Krieges in der Ukraine.

Der Krieg wurde unter Verletzung aller denkbaren internationalen und russischen Gesetze begonnen.

Der Krieg hat bereits zahlreiche Opfer, darunter auch Zivilisten, gefordert und wird zweifellos weitere Opfer fordern.

Der Krieg spiegelt die Entwicklung einer Welt wider, wie sie vor vielen Jahren bestand.

Der Krieg führt zur internationalen Isolation Russlands, die gigantische wirtschaftliche und soziale Folgen haben wird und auch einen verheerenden Schlag der russischen Wissenschaft und Kultur versetzen wird.

Uns wurde beigebracht, Konflikte mit Worten zu lösen, nicht mit Waffen. Vor unseren Augen beginnt die russische Sprache weltweit als Sprache des Aggressors wahrgenommen zu werden, und wir wollen dies nicht auf uns nehmen.

Wir fordern eine sofortige Waffenruhe und eine diplomatische Lösung aller Probleme.

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Offener Brief von Absolventen, Mitarbeitern und Studenten des Moskauer Institus für Physik und Technologie (MIPT) gegen den Krieg in der Ukraine

https://rb.gy/fphkqs

 (Bis jetzt : 3 321 Unterschriften)

Wir, Absolventen, Mitarbeiter und Studenten des Moskauer Instituts für Physik und Technologie, sind gegen den Krieg in der Ukraine und möchten an die Absolventen, Mitarbeiter und das Management des MIPT appellieren.

Seit vielen Jahren wird uns beigebracht, dass unser Institut eine Gemeinschaft ist, in der sich Physiker gegenseitig zu Hilfe kommen. Jetzt ist genau so ein Moment. Wir bitten Sie, Ihre Meinung offen zu äußern und nicht zu schweigen. Wir sind sicher, dass das MIPT diesen sinnlosen und empörenden Krieg nicht unterstützt. Einen Krieg auch gegen ehemalige und jetzige Studenten, MIPT-Mitarbeiter, deren Verwandte und Freunde.

Uns wurde gesagt, dass Physik- und Technologieabteilungen beispielgebend sind. Und wir fordern unser Institut auf, ein Beispiel für andere Universitäten und Organisationen zu werden und das Vorgehen der Führung des Landes und von Präsident Putin öffentlich zu verurteilen. Es gibt keine rationale Rechtfertigung für diesen Krieg. Die Folgen einer Militärinvasion sind katastrophal für die Ukraine, für Russland und möglicherweise für die ganze Welt.

Wir bitten Sie, haben Sie keine Angst sich gegen einen schrecklichen Krieg auszusprechen und alles zu tun, um ihn zu stoppen.

Wir warten auf eine offene Stellungnahme des Managements und der offiziellen Vertreter.

Mit Hoffnung für die Welt

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Ein offener Brief russischer Geographen gegen Militäroperationen in der Ukraine

https://rb.gy/cxml9v

  (Bis jetzt : 1 818 Unterschriften)

An Wladimir Putin, Präsident der Russischen Föderation

Wir, Bürger der Russischen Föderation, Geographen, Lehrer, Wissenschaftler, Studenten, Doktoranden und Absolventen, die diesen Appell unterzeichnet haben, sind uns unserer Verantwortung für das Schicksal unseres Landes bewusst und lehnen militärische Operationen auf dem Territorium des souveränen Staates Ukraine kategorisch ab. Wir fordern von allen Seiten einen sofortigen Waffenstillstand und den Abzug russischer Truppen auf russisches Territorium.

Wir halten es für unmoralisch, jetzt zu schweigen, wo jeden Tag und jede Stunde Menschen infolge von Feindseligkeiten sterben. Die Feindseligkeiten bedrohen so gefährdete Standorte wie das Kernkraftwerk Tschernobyl, Wasserkraftwerke am Dnjepr und die einzigartigen Biosphärenreservate der Ukraine. Im 21. Jahrhundert ist es nicht akzeptabel, politische Konflikte mit Waffen in der Hand zu lösen; alle Widersprüche innerhalb der Ukraine und zwischen unseren Staaten sollten nur durch Verhandlungen gelöst werden. Egal, was die Invasion russischer Truppen rechtfertigt, alle Russen und zukünftige Generationen von Russen werden dafür bezahlen.

Die Militäroperation macht die langjährigen Bemühungen von Geographen und anderen Experten zur Erhaltung von Landschaften, zur Bekämpfung des Klimawandels, zur Schaffung besonders geschützter Naturgebiete, zur Analyse und Planung der friedlichen territorialen Entwicklung der Volkswirtschaften Russlands und der Ukraine und ihrer grenzüberschreitenden Zusammenarbeit sinnlos . Wir können die Mission der Fortsetzung der friedlichen und harmonischen Entwicklung unseres Landes, seiner Integration in die Weltwirtschaft nicht aufgeben.

Wir wollen unter einem friedlichen Himmel leben, in einem weltoffenen Land und einer weltoffenen Welt, um die wissenschaftliche Forschung für den Frieden und das Wohlergehen unseres Landes und der ganzen Menschheit fortzusetzen.

Die Kämpfe müssen sofort eingestellt werden!

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Lehrer gegen Krieg. Ein offener Brief russischer Lehrer gegen den Krieg auf dem Territorium der Ukraine

https://rb.gy/pogi8f

(Bis jetzt rund 4600 Unterschriften)

Jeder Krieg bedeutet Menschenopfer und Zerstörung. Er führt unweigerlich zu massiven Verletzungen der Menschenrechte. Krieg ist eine Katastrophe.

Der Krieg mit der Ukraine, der in der Nacht vom 23. Februar auf den 24. Februar begann, ist nicht unser Krieg. Die Invasion des ukrainischen Territoriums begann für russische Bürger, aber gegen unseren Willen.

Wir sind Lehrer und Gewalt widerspricht dem Wesen unseres Berufs. Unsere Studenten werden in der Hölle des Krieges sterben. Krieg wird unweigerlich zu einer Verschlimmerung der sozialen Probleme in unserem Land führen.

Wir unterstützen Anti-Kriegsproteste und fordern eine sofortige Waffenruhe.

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Nachsatz 22.2.2024

Der Protest fand schnell ein Ende: Tausende Demonstranten wurden verhaftet und mit einem am 4. März verabschiedeten Gesetz wurden das Verbreiten angeblicher Falschinformationen über russische Soldaten, das Diskreditieren russischer Streitkräfte und auch Aufrufe zu Sanktionen gegen Russland unter Strafe - Geld- und Haftstrafen bis zu 15 Jahren - gestellt. (https://orf.at/stories/3251037/) Aus Angst, dass die Unterzeichner der Petitionen von den russischen Behörden verfolgt würden, haben wenige Stunden nach Erscheinen von einigen der zahlreichen Aufrufe im Blog sind diese bereits gelöscht oder blockiert:

Offener Brief der Gemeinschaft der Staatlichen Universität Moskau (Lomonosov Universität) gegen den Krieg

Der Appell wurde (um 00:10, 5. März 2022) von mehr als 7.500 Absolventen, Mitarbeitern und Studenten der Staatlichen Universität Moskau unterzeichnet. Namensunterschriften werden vorübergehend ausgeblendet, stehen aber den Beschwerdeführern zur Verfügung.

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Offener Brief von Absolventen der Philologischen Fakultät der Lomonosow-Universität

UPDATE VOM 03.05.2022 (21.43 Uhr Moskauer Zeit): Aus Angst, dass die Unterzeichner des Schreibens von den russischen Behörden verfolgt würden, habe ich als Initiator der Unterschriftensammlung beschlossen, sie zu verbergen. Alexander Berdichevsky, PhD, Jahrgang 2007.

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Offener Brief von Absolventen, Mitarbeitern und Studenten des Moskauer Institus für Physik und Technologie (MIPT) gegen den Krieg in der Ukraine https://rb.gy/fphkqs

Wir sind in Sorge um die Sicherheit derer, die diesen Brief unterzeichnet haben. Sie laufen Gefahr, unter ein neues Gesetz zu fallen, das die Diskreditierung des russischen Militärs und die Behinderung seines Einsatzes bestraft. Seine Verletzung ist mit Geld- und Freiheitsstrafen von bis zu 15 Jahren Gefängnis verbunden. Daher haben wir den Text des Schreibens gelöscht und das Aufnahmeformular geschlossen.

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Ein offener Brief gegen den Krieg [jetzt können wir nicht genau sagen, welcher] wurde von 5.000 russischen Lehrern unterzeichnet

Wir haben den vollständigen Text des Appells von russischen Lehrern entfernt, da am 4. März ein neues Gesetz verabschiedet wurde. Jetzt kann eine Person für Antikriegsappelle verwaltungs- oder strafrechtlich bestraft werden. Aber wir sind sicher, dass der Krieg eine Katastrophe ist und beendet werden muss.

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Fr, 16.02.2024 — Redaktion

Eine kürzlich publizierte Studie, die an den US-National Intitutes of Health (NIH) unter streng kontrollierten klinischen Bedingungen durchgeführt wurde, zeigt signifikante Auswirkungen einer Umstellung auf zwei gegensätzliche Ernährungsformen, auf die vegane oder die ketogene Diät. Neben einer Veränderung des Stoffwechsels und der Darmflora reagiert vor allem das Immunsystem schnell und unterschiedlich auf die veränderte Kost. So verstärkte die vegane Ernährung die Reaktionen der ersten unspezifischen Abwehr von Krankheitserregern - der angeborenen Immunantwort -, während die ketogene Ernährung eine Hochregulierung von Signalwegen und Zellen der später einsetzenden, erregerspezifischen adaptiven Immunantwort auslöste.

Unsere Ernährung hat weitreichende direkte Auswirkungen auf unsere Physiologie und auch indirekte infolge der unterschiedlichen Zusammensetzung des mit uns in Symbiose lebenden Mikrobioms und seiner Stoffwechselprodukte. Welche Ernährungsform aber welche Auswirkungen auf welche Vorgänge - beispielsweise auf unsere Immunantwort - hat, ist jedoch noch weitgehend unbekannt. Zu vielfältig sind die Ernährungsweisen, zu unterschiedlich die individuellen Reaktionen. Trotz einer im letzten Jahrzehnt ungemein boomenden Forschung - die US-Datenbank PubMed verzeichnet zu "diet & health" fast 130 000 Publikationen, davon rund 10 100 zu "diet & immune system" - mangelt es an qualitativ hochwertigen Studien, vor allem an rigoros konzipierten klinischen Studien zu den Auswirkungen einzelner Diäten und noch viel mehr zum Vergleich von Diäten.

Welche Folgen kann aber der nun weltweit steigende Trend zu einer pflanzenbasiertetn Ernährungsform haben?

Eine randomisierte klinische Studie zum Vergleich zweier Diäten ....

Ein Forscherteam um Yasmine Belkaid vom National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID, NIH)) in Bethesda/Maryland hat nun in einer randomisierten klinischen Studie die Auswirkungen von zwei gegensätzlichen Ernährungsformen - einer ketogenen Diät und einer veganen Diät auf Immunsystem, Mikrobiom und Stoffwechsel untersucht. Erstmals konnte mit Hilfe eines Multiomics-Ansatzes (d.i . der Analyse von Transcriptom, Proteom, Metabolom und Mikrobiom; siehe weiter unten) ein detailliertes Bild von den mit den Diätumstellungen verbundenen Veränderungen auf menschliche und mikrobielle Systeme gegeben werden. Die wesentlichen Ergebnisse sind zusammen mit einem ausführlichen Datenmaterial kürzlich im Fachjournal Nature Medicine erschienen [1].

Beide Arten der Ernährung wurden in der Vergangenheit mit unterschiedlichen gesundheitlichen Vorteilen assoziiert: vegane Kost mit weniger Entzündungserkrankungen, einem reduziertem Risiko für Herz-Kreislauferkrankungen und einer insgesamt höheren Lebenserwartung; ketogene Kost mit positiven Effekten auf das Zentralnervensystem (niedrigere Neuroinflammation und anti-epileptisch wirksam).

Die klinische Studie wurde an einer heterogen zusammengesetzten Gruppe von 20 Teilnehmern ausgeführt. Es handelte sich dabei um gesunde Männer und Frauen im Alter von 18 - 50 Jahren mit konstantem Körpergewicht, die über die Versuchsdauer von 4 Wochen stationär in der Klinik (Metabolic Clinical Research Unit at the NIH Clinical Center) aufgenommen waren; dies ermöglichte den Forschern genau zu verfolgen, was die Probanden konsumierten.

Aufgeteilt auf 2 Gruppen begann die erste Gruppe mit einer zweiwöchigen veganen Diät und stieg dann sofort auf eine ketogene Diät um, während die zweite Gruppe mit einer ketogenen Diät anfing und auf eine vegane Diät umstieg. Abbildung 1. Die ketogene kohlenhydratarme Diät bestand zu 75.8% aus Fett, zu 10.0% aus Kohlenhydraten, die vegane, fettarme Diät zu 10.3% aus Fett und zu 75.2% aus Kohlenhydraten. Die ketogene Diät enthielt Produkte tierischen Ursprungs, einschließlich Fleisch, Geflügel, Fisch, Eier, Milchprodukten und Nüssen, die vegane Diät Hülsenfrüchte, Reis, Wurzelgemüse, Sojaprodukte, Mais, Linsen, Erbsen, Vollkornprodukte, Brot und Obst. Beide Diäten enthielten nicht-stärkehaltiges Gemüse (1 kg/Tag) und nur minimale Anteile an hochverarbeiteten Lebensmitteln; die vegane Kost war ballaststoffreicher und zuckerärmer als die ketogene Kost. Den Studienteilnehmern stand es frei so viel von den Speisen zu essen, wie sie wollten (nebenbei: von der ketogenen Kost wurde mehr konsumiert).

....mit Hilfe eines Multiomics Ansatzes .....

Die Auswirkungen der beiden Diäten wurden mit Hilfe eines "Multiomics"-Ansatzes untersucht. Dazu wurden Blut-, Urin- und Kotproben analysiert um die Gesamtheit der darin ersichtlichen Reaktionen des Körpers sowie des im Darm ansässigen/sezernierten Mikrobioms zu erfassen:

• die biochemischen Reaktionen im Transkriptom (der mittels RNA-Sequenzierung erhaltenen Genexpression) und im Proteom (der Gesamtheit der in den Proben vorliegenden Proteine),
• die Zusammensetzung der Blutkörperchen und des Mikrobioms und deren zelluläre Reaktionen,
• die Reaktionen des Stoffwechsels im Metabolom (der Gesamtheit der Stoffwechselprodukte in den Proben) . Abbildung 1.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Zwanzig Teilnehmer (Frauen pink, Männer blau) wurden in zwei Gruppen aufgeteilt , wobei Gruppe A mit einer zweiwöchigen veganen Diät begann und dann sofort auf eine ketogene Diät umstieg, während Gruppe B mit einer ketogenen Diät begann und auf eine vegane Diät umstieg. Blut-und Urinproben wurden unmittelbar vor der ersten Diät als Ausgangswert und am Ende der ersten und zweiten Diät entnommen. Im Blut erfolgten Analysen zur Proteinzusammensetzung (SomatLogic), Genexpression mittels RNA-Sequenzierung (RNA-seq), Zusammensetzung der Zellpopulation (Flow Cytometry) und Spiegel von Metaboliten (Metabolomics), Metabolitenspiegel wurden auch im Harn bestimmt. Für die Kot-Proben zur mikrobiologischen Metagenom-Sequenzierung (Microbiome) wurden die Daten an verschiedenen Tagen erhoben. (Quelle: Fig. 1a in Link, V.M. et al., Nat Med (2024) [1].Lizenz: cc-by. https://doi.org/10.1038/s41591-023-02761-2)

.....ermöglicht erstmals einen Blick auf das Gesamtbild der Auswirkungen

Das erstaunliche Ergebnis: Trotz der geringen Zahl der Teilnehmer, deren Verschiedenheit und der kurzen Beobachtungszeit hat die 2-wöchige kontrollierte Ernährungsintervention ausgereicht, um die Immunität des Wirts und die Zusammensetzung des Mikrobioms signifikant und - abhängig von der Diät - unterschiedlich zu beeinflussen.

Auswirkungen auf das Immunsystem

Die vegane Diät hat sich vor allem auf das angeborene Immunsystem ausgewirkt und Leukozyten und Signalwege (über Interferone) hochreguliert, die mit der antiviralen Immunität assoziiert sind. (Angeborene Immunität: die rasch einsetzende, unspezifisch wirkende erste Abwehrlinie, die in Form von Makrophagen, Granulozyten, dem Komplement und freigesetzten Signalmolekülen gegen Krankheitserreger vorgeht.)

Auch rote Blutkörperchen (Erythrocyten) gehören zu den wichtigen Modulatoren der angeborenen Immunität. Die vegane Ernährung hat deren Bildung (Erythropoiese) und den Stoffwechsel des Häm (dem Sauerstoff-transportierenden, farbgebenden Eisen-haltigen Komplex von Hämoglobin) deutlich erhöht (dies könnte auf den höheren Eisengehalt dieser Diät zurückzuführen sein).

Die ketogene Diät führte dagegen zu einem signifikanten Anstieg der biochemischen und zellulären Prozesse, die mit der adaptiven Immunität verbunden sind, einschließlich der Aktivierung von T-Zellen, der Anreicherung von B-Zellen und der Antikörper-produzierenden Plasmazellen. (Adaptive Immunität: die spezifisch wirkende zweite, viel später einsetzenden Abwehrlinie der Immunreaktion, in der B-Zellen Antikörper gegen Erreger freisetzen und T-Zellen diese direkt angreifen und Zytokine gegen diese sezernieren.)

Die beiden Diätformen zeigten unterschiedliche Auswirkungen auf insgesamt 308 mit Krebs assoziierte Signalwege und könnten so den Verlauf von Krebserkrankungen beeinflussen. Vegane Kost aktivierte 242 Signalwege (davon 4 in sehr hohem Ausmaß), ketogene Kost 66 Wege. Erste Hinweise sprechen dafür, dass ketogene Ernährung in Verbindung mit anderen Krebstherapien von Vorteil sein könnten.

Auswirkungen auf die Plasmaproteine

Die ketogene Diät wirkte sich stärker auf den Gehalt von Proteinen im Blutplasma aus als die vegane Diät. Von den rund 1300 im Proteom bestimmten Proteinen zeigten mehr als 100 veränderte Spiegel nach Umstellung von Normalkost auf die ketogene Kost, dagegen nur wenige nach der Umstellung auf vegane Diät. Bei den weiblichen Teilnehmern waren die Veränderungen nach einer ketogenen Diät wesentlich größer, was auf eine mögliche geschlechtsspezifische Reaktion auf die Diät hinweist. Zu diesen geschlechtsspezifischen Unterschieden in der Proteinhäufigkeit gehörten Proteine, die mit dem Glukosestoffwechsel sowie mit der Immunität in Verbindung stehen.

Auswirkungen auf das Mikrobiom

Die Ernährung ist der wichtigste Regulator des Mikrobioms und beeinflusst dessen Zusammensetzung und Funktion.

Beide Diäten haben zu Veränderungen in der Häufigkeit der Darmbakterienarten geführt, vor allem von Actinobacteria, Bacteroidetes, Proteobacteria und am stärksten von Firmicutes; insgesamt waren 26 Arten betroffen, 18 davon kamen bei veganer Diät häufiger vor.

Übereinstimmend mit der Diät waren die meisten, der nach einer veganen Diät hochregulierten mikrobiellen Enzyme mit der Verdauung von pflanzlichen Polysacchariden assoziiert, während die nach einer ketogenen Diät hochregulierten mikrobiellen Enzyme mit der Verdauung von sowohl pflanzlichen als auch tierischen Polysacchariden zu tun hatten.

Im Vergleich zur Ausgangsdiät und zur veganen Diät führte die ketogene Diät zu einer erheblichen Herunterregulierung des mikrobiellen Genvorkommens und dies spiegelte sich in der Herabregulierung zahlreicher mikrobieller Stoffwechselwege wider, wie der Biosynthese von 12 Aminosäuren (darunter essentielle und verzweigte Aminosäuren) und von 9 Vitaminen (darunter B1. B5 und B12).

Effekte auf die Blut- und Harnspiegel der Stoffwechselprodukte (Metaboliten)

Insgesamt wurden im Metabolom des Plasmas 860 Metabolite erfasst; 54 davon waren bei veganer, 131 bei ketogener Ernährung hochreguliert. Die betroffenen Metabolite und das Ausmaß ihrer geänderten Gehalte bieten zweifellos Raum für Hypothesen/Spekulationen zu Nutzen oder Schaden der einen oder anderen Art der Diät.

Die stärkste Veränderung erfuhren die Lipidspiegel.

Der Lipidstoffwechsel war in der Keto-Diät stark gesteigert, da in dieser kohlenhydratarmen Kost Lipide ja zur Energieversorgung der Zellen herangezogen werden. Im Einklang mit der fettreichen Kost, fanden sich mehr Lipide (81) angereichert im Plasma als bei der veganen Kost mit 22 Lipiden. Erhöht wurden bei der Keto-Diät die Gehalte an Lipiden mit gesättigten Fettsäuren, im Fall der veganen Diät waren es Lipide mit ungesättigten Fettsäuren.

Sowohl die ketogene als auch die vegane Kost war mit einem gesteigerten Stoffwechsel von Aminosäuren korreliert. War es bei der ketogenen Diät vor allem die Steigerung der Stoffwechselwege zur Nutzung der essentiellen Aminosäuren Valin, Leucin und Isoleucin, so war bei der veganen Kost der Metabolismus der Aminosäuren Alanin, Asparaginsäure, Glutaminsäure und Arginin erhöht.

Der Vergleich von Plasma- und Urinproben zeigte insgesamt 4 Signalwege, die in beiden Probenarten verstärkt waren: alle waren mit der Hochregulierung der Aminosäure- und Vitaminbiosynthese bei der ketogenen Ernährung korreliert.

Auswirkungen der beiden Diätformen, zusammengefasst

Abbildung 2: Eine Zusammenfassung der wesentlichen Veränderungen nach der Umstellung auf vegane oder ketogene Kost. Pfeile deuten Zunahme oder Abnahme von Reaktionswegen, Metaboliten und Zelltypen an. (Quelle: Fig. 5d in Link, V.M. et al., Nat Med (2024). https://doi.org/10.1038/s41591-023-02761-2. Lizenz cc-by)

Trotz der geringen Zahl an Teilnehmern und der Heterogenität ihrer Zusammensetzung ließen sich aus dem komplexen Datensatz von Proteinen, mikrobiellen Enzymen und Stoffwechselprodukten einige grundlegende Unterschiede in den Auswirkungen von veganer und ketogener Diät erkennen, die in Abbildung 2 zusammengefasst sind.

Von primärer Bedeutung sind die neu beschriebenen Effekte auf das Immunsystem: Bereits eine zwei Wochen dauernde Umstellung auf eine der beiden Diätformen reicht aus, um das angeborene oder das adaptive Immunsystem - also die primäre unspezifische Abwehr von Erregern oder die darauf folgende spezifische, über lange Zeit persistierende Abwehr - anzukurbeln.

Um herauszufinden, wie die Diätformen die Abwehr von Krankheitserregern im realen Leben beeinflussen - ob vegane Kost Ansteckung und Verlauf von Infektionen günstig beeinflussen kann und, ob ketogene Kost die Aussichten in der Krebstherapie verbessert -, sind epidemiologische Studien am Menschen und mechanistische Untersuchungen  an Tiermodellen erforderlich.

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  [1) Link, V.M., Subramanian, P., Cheung, F. et al. Differential peripheral immune signatures elicited by vegan versus ketogenic diets in humans. Nat Med (2024). https://doi.org/10.1038/s41591-023-02761-2

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Mo, 12.02.2024 — Inge Schuster

Erst vor wenigen Jahren wurden zwei Drainagesysteme entdeckt, die Abfallprodukte des Stoffwechsels aus dem Gehirngewebe ausschleusen können: das glymphatische System und ein Lymphsystem in den Hirnhäuten. Koreanische Forscher um Gou Young Koh haben nun eine wesentliche Komponente des Drainagesystems hinzugefügt: ein verschlungenes Netzwerk von Lymphgefäßen im hinteren Teil der Nase (der nasopharyngeale lymphatische Plexus), das eine entscheidende Rolle auf dem bislang unbekannten Weg des Liquorabflusses aus dem Gehirn spielt. Die Stimulierung des Liquorabflusses und damit der darin gelösten toxischen Proteine könnte eine neue erfolgversprechende Strategie zur Behandlung von bislang nur unzulänglich therapierbaren neurodegenerativen Erkrankungen sein.

"Wir sagen, dass wir Demenz verhindern können, wenn wir viel lachen oder viel reden. Das ist kein Scherz. Lachen und Sprechen stimulieren die Lymphgefäße und fördern den Abfluss des Liquors. Ich möchte ein Medikament oder ein Hilfsmittel entwickeln, das die Verschlimmerung von Demenz verhindern kann, indem ich die Forschungsergebnisse des Zentrums für Gefäßforschung nutze."

Gou Young Koh, Director, Center for Vascular Research, IBS

Eine Balance von Versorgung und Entsorgung

Unsere Organe sind auf die kontinuierliche, über den Blutstrom erfolgende Zufuhr von Nährstoffen angewiesen und ebenso auf den Abtransport von Abfallprodukten über das Lymphsystem. Dieses dichte Netzwerk aus verästelten Lymphgefäßen durchzieht unsere Gewebe und fungiert als Drainagesystem. Es verhindert, dass aus den Blutkapillaren in den extrazellulären Raum der Gewebe (das Interstitium) austretende größere Moleküle (vor allem Plasmaproteine), überschüssige Gewebsflüssigkeit, Immunzellen, Abbauprodukte von Zellen ebenso aber auch Partikel und Mikroorganismen sich dort ansammeln. Diese Stoffe treten durch die durchlässigen Wände in Lymphkapillaren ein und werden in der Lymphflüssigkeit durch die Lymphknoten hindurch wieder dem Blutkreislauf und der Ausscheidung zugeführt.

Wie entsorgt das Gehirn seine Abfallprodukte?

Das Gehirn unterscheidet sich von den peripheren Organen u.a. dadurch, dass eine sogenannte Blut-Hirn-Schranke den unkontrollierten Eintritt von Proteinen, Partikeln und Flüssigkeit in das Organ verhindert. Auf Grund des enorm hohen Stoffwechsels - bei rund 2 % unseres Körpergewichts benötigt das Gehirn 20 % des in den Organismus gepumpten Blutes zu seiner Versorgung - entstehen reichlich Abfallprodukte, die in das Interstitium des Gehirngewebes (des Parenchyms) abgegeben werden. Zu solchen Produkten zählen auch fehlgefaltete/aggregierte Proteine, deren Akkumulierung im Gehirngewebe schwere Schädigungen des Nervensystems auslösen kann. Derartige toxische Produkte sind ein gemeinsames Merkmal von neurodegenerativen Erkrankungen, wie der Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, Huntington-Erkrankung und der amyotrophen lateralen Sklerose.

Bis vor wenigen Jahren rätselte man, wie Abfallprodukte, insbesondere toxische Proteine, aus dem Gehirn ausgeschleust werden können. Die vorherrschende Lehrmeinung besagte ja, dass das Gehirn über kein Lymphdrainagesystem verfügt. Dass dieses Dogma falsch war, wurde 2012 und 2015 durch Studienbewiesen. Demzufolge verfügt das Gehirn sogar über zwei Systeme zum Transport von Abfallprodukten [1]:

Das glymphatische System ...

bewirkt, dass der Liquor (Cerebrospinalflüssigkeit: CSF) das Gehirn durchströmt und sich mit der interstitiellen Flüssigkeit (ISF) und den darin gelösten Stoffen austauscht.

Abbildung 1: Das glymphatische System. Wie Liquor, interstitielle Flüssigkeit und darin gelöste Abfallprodukte im Hirn zirkulieren. A. Liquor fließt über periarterielle Räume, gebildet von den Endfortsätzen von Gliazellen (Astrozyten) ins Gehirn; Wasserkanäle (Aquaporin 4) der Gliazellen regen hier den Austausch von Liquor und interstitieller Flüssigkeit mit den darin gelösten Abfallprodukten an und treiben diese in den abfließenden perivenösen Raum. B. Die perivenöse Flüssigkeit und die gelösten Stoffe fließen dann über große Venen aus dem Gehirn ab, dargestellt am Beispiel eines Mäusehirns . Aus dem subarachnoidalen Liquor können gelöste Stoffe (wie Amyloid-β) den Schädel u.a. über Lymphgefäße der Hirnhäute verlassen. (Abbildung unverändert übernommen aus: Leveaux et al., 2017 [1]. Lizenz cc-by)

Liquor wird kontinuierlich in den Hirnkammern (Ventrikeln) gebildet (etwa 500 ml/Tag), füllt diese und ein Teil gelangt auch in den spaltförmigen Subarachnoidalraum, der zwischen der mittleren Hirnhaut (Arachnoidea mater) und der inneren Hirnhaut (Pia mater) liegt.

Von hier durchfließt der Liquor perivaskulär - d.i. in einem engen, durch die Endfüßchen von Gliazellen (Astrozyten) um die arteriellen Blutgefäße gebildeten Transportraum - das Gehirn (Abbildung 1 A).

Der Austausch von gelösten Stoffen zwischen Liquor und ISF wird in erster Linie durch den arteriellen Pulsschlag gesteuert, wobei die von Gliazellen in den Endfortsätzen exprimierten Wasserkanäle (Aquaporine) essentiell involviert sind. Das Pulsen von Liquor in das Gehirngewebe treibt die Flüssigkeit und die darin gelösten Stoffe in Wellen durch den extrazellulären Raum in die perivenösen Räume. Von hier gelangen sie in wieder in den subarachnoidalen Liquor, können in Lymphgefäße in den Hirnhäuten eintreten und über diese den Schädel verlassen (Abbildung 1 B).

... aktiviert "Gehirnwäsche" im Schlafzustand

Eine besonders wichtige Entdeckung im Jahr 2013 zeigt, dass das glymphatische Transportsystem im Schlafzusstand aktiviert ist [2]: während des Schlafens dehnt sich der extrazelluläre Raum im Hirngewebe um 60 % aus. Dies führt zu einem stark gesteigerten Austausch von Liquor - ISF Austausches und damit zu einer erhöhten Rate der Beseitigung von Abfallprodukten - beispielsweise von Beta-Amyloid, Tau-Protein oder alpha Synuclein - gegenüber dem Wachzustand gesteigert.

Das in den Hirnhäuten lokalisierte Lymphsystem

Abbildung 2: 3D-Darstellung des humanen Lymphsystems (dkl.blau) in der Dura mater. Erstellt aus MRI-Aufnahmen an einer gesunden, 47 Jahre alten Frau (Quelle: Kopie aus [3]; das Bild stammt aus https://elifesciences.org/articles/29738. Lizenz cc-by)

Erst 2015 gelang erstmals der Nachweis von Lymphgefäßen in der äußeren Hirnhaut - der Dura Mater - von Mäusehirnen; diese sehr schwer detektierbaren Gefäße wurden mit ausgeklügelten MRT-Techniken nicht-invasiv zwei Jahre später auch in der Dura Mater des Menschen festgestellt (dazu eine ausführlichere Darstellung im ScienceBlog [3]).

Ebenso wie im peripheren Lymphsystem verlaufen die meningealen (Meninges = Hirnhäute) Lymphgefäße entlang der Blutgefäße, sind aber weniger dicht und verästelt angelegt. Abbildung 2.

Die Lymphgefäße drainieren überschüssige Flüssigkeit und Stoffwechselprodukte der Hirnhäute, transportieren ebenso Immunzellen und dazu - im Anschluss an das glymphatische System - die Mischung aus Liquor und ISF mit den darin gelösten Abfallprodukten des Hirngewebes.

Der nasopharyngeale lymphatische Plexus

Dass das meningeale Lymphsystem schlussendlich zu den tiefen Halslymphknoten außerhalb des Schädels drainiert, ist evident, nicht klar war aber auf welchen Wegen der Abfluss stattfindet und wie er reguliert wird . Ein Team um Gou Young Koh, einem Pionier der Gefäßforschung, Gründungsdirektor und Direktor des Zentrums für Gefäßforschung am Institute for Basic Schiene (IBS) in Daejeon, Korea, hat nun eine entscheidende Schaltstelle auf diesem Weg entdeckt [4].

Das Forscherteam hat dazu transgene Mäuse mit fluoreszierenden Markern zur Sichtbarmachung der Lymphgefäße eingesetzt und die Liquor-/Lymphwege mittels ausgefeilten histologischen, biochemischen und bildgebendern Verfahren untersucht. Um festzustellen, ob die Ergebnisse an der Maus auch für Primaten Relevanz haben, wurden auch einige Versuche am Nasopharynx von Affen (Macaca fascicularis) angestellt.

Die Studie wurde kürzlich im Fachjournal Nature publiziert, die Bedeutung der Ergebnisse ist am Titelblatt des Journals durch ein ganzseitiges Bild zum "Brain Drain" hervorgehoben [4].

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Lymphregionen 1, 2 und 3, die über den nasopharyngealen Lymphgefäßplexus (NPLP) zu den medialen tiefen Halslymphgefäßen und den tiefen Halslymphknoten drainieren, Oben: Versuche an Mäusen. Die in den NPLP drainierende Lymphregion 1 umfasst Lymphgefäße in der Nähe der Hypophyse und des Sinus cavernosus liegen. Lymphregion Nr. 2 umfasst Lymphgefäße im vorderen Bereich der basolateralen Dura in der Nähe der mittleren Meningealarterie und des Sinus petrosquamosus (PSS), die entlang der Arteria pterygopalatina (PPA) zum NPLP verlaufen. Die ableitende Lymphregion 3 umfasst Lymphgefäße in der Nähe des Siebbeins (cribriform plate), die zu Lymphgefäßen in der Riechschleimhaut drainieren und zum NPLP führen. Lymphgefäße in der hinteren Region der basolateralen Dura leiten um den Sinus sigmoideus allerdings nicht in den NPLP, sondern durch das Foramen jugulare über die seitlichen tiefen Halslymphgefäße, zu den tiefen Halslymphknoten.(Quelle: Ausschnitt aus Fig. 3 Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06899-4; Lizenz cc-by) Unten: Basierend auf den Ergebnissen an Mäusen und Makaken ist die angenommene Drainierung von Liquor über das nasopharyngeale Lymphgeflechts beim Menschen zu den tiefen zervikalen Lymphgefäßen und Lymphknoten skizziert. (Credit: Institute of Basic Science)

An Hand von vielen hervorragenden fluoresenzmikroskopischen Bildern zeigt die Studie im hinteren Teil der Nase, dem Nasopharynx (Rachenraum), ein wie ein Spinnennetz verschlungenes Netzwerk von Lymphgefäßen, den nasopharyngealen lymphatischen Plexus (NPLP), der als wesentlicher Knotenpunkt für den Abfluss von Liquor zu den tiefen Halslymphknoten im Nacken fungiert. In dem, sich von der Schädelbasis bis zum weichen Gaumen des Mundes erstreckenden Nasopharynx, reicht das Netzwerk der Lymphgefäße bis zur Gehirnbasis; diese vereinigen sich dann zu einigen wenigen Lymphgefäßsträngen, die mit den Halslymphknoten verbunden sind. Aus drei Regionen des Gehirns wird Liquor über Lymphgefäße in der Dura mater in den NPLP abgeleitet und drainiert von dort über die tiefen Halslymphgefäße in die tiefen Halslymphknoten.

Nur das Lymphgefäß in den Hirnhäuten der seitlichen Schädelbasis entsorg auf einem anderen Weg - über die seitlichen Halslymphgefäße - in den tiefen Halslymphknoten. Abbildung 3 (oben) gibt einen Überblick über die Abflusswege (leider nicht für rasches Überfliegen geeignet).

Die Ähnlichkeit des lymphatischen Netzwerks im Nasopharynx von Maus und Affe und seiner Funktion, lässt auf eine Konservierung dieses Drainagesystem bei den Spezies und damit auch auf sein Vorkommen und seine Rolle in der Entsorgung von Abfallprodukten des Gehirns beim Menschen schließen (Abbildung 3, unten).

Aktivierung der tiefen Halslymphgefäße

Ein sehr wichtiger Befund der Studie: die tiefen Halslymphgefäße sind von glatten Muskelzellen umhüllt, die pharmakologisch moduliert werden können, sodass sie die Gefäße zusammendrücken oder erweitern und damit den Liquorfluss regulieren.

Die Forscher haben dies demonstriert: mit Natriumnitroprussid (das Stickstoffmonoxid - NO -  freisetzt) konnte eine Muskelentspannung und damit eine Gefäßerweiterung bewirkt werden, mit Phenylephrin - einem Adrenalin-Analogon - eine Gefäßkontraktion.

Diese pharmakologischen Auswirkungen blieben auch bei alten Mäusen aufrecht, während das Lymphgeflecht im Nasopharynx geschrumpft war, und die Drainage von Liquor abgenommen hatte.

Die Aktivierung der tiefen Halslymphgefäße könnte somit zu einer erfolgversprechende Strategie werden, um bei neurodegenerativen Erkrankungen den Abfluss von Liquor und damit von toxischen Abfallprodukten zu steigern.

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 [1] A. Leveaux et al., Understanding the functions and relationships of the glymphatic system and meningeal lymphatics. Clin Invest. 2017 Sep 1; 127(9): 3210–3219. Published online 2017 Sep 1. doi: 10.1172/JCI90603

[2] L.Xie et al., Sleep Drives Metabolite Clearance from the Adult Brain. Science. 2013 Oct 18; 342(6156): 10.1126/science.1241224. doi: 10.1126/science.1241224

[3] Redaktion, 10.10.2017: Ein neues Kapitel in der Hirnforschung: das menschliche Gehirn kann Abfallprodukte über ein Lymphsystem entsorgen.

[4] Yoon, JH., et al., Nasopharyngeal lymphatic plexus is a hub for cerebrospinal fluid drainage. Nature 625, 768–777 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06899-4

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Aus dem Center for vascular Research (Korea)

Homepage des Center for Vascular Research at the Institute for Basic Science (Korea): https://vascular.ibs.re.kr/

Rezente Artikel im Online Magazin (2023) IBS Research 20th.pdf:

Seon Pyo HONG, Why We Focus on Vessels

Koh Gou Young, The Key to Solving Degenerative Brain Disease: Vessels

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Mo, 05.02.2024 — Inge Schuster

Nachdem fast 20 Jahre lang keine neuen Alzheimer-Medikamente den Markt erreicht hatten, erhielt 2021 der Anti-Amyloid Antikörper Aduhelm des US-Biotechkonzerns Biogen als erster Vertreter einer neuen Klasse von Therapeutika die Zulassung durch die US-Behörde FDA. Dass die Entscheidung trotz des Fehlens eindeutiger Nachweise der Wirksamkeit und des Auftretens bedenklicher Nebenwirkungen erfolgte, löste enorme Kritik aus und das von skeptischen Ärzten kaum verschriebene Präparat wurde zum Flop. Vor 5 Tagen hat Biogen nun mitgeteilt, dass Entwicklung und Vermarktung von Aduhelm einstellt gestellt wird und freiwerdende Ressourcen nun seunem zweiten (im Juli 2023 registrierten) Anti-Amyloid -Antikörper Leqembi (Lecanemab) gewidmet werden sollen.

Für den US-Biotechkonzern Biogen war Aduhelm die bahnbrechende Entdeckung, die den Weg für eine neue Klasse von Medikamenten in der Alzheimer -Therapie ebnete und Forschung und nötige Investitionen in diesem Bereich wieder möglich machte. Waren die bis jetzt wenigen verfügbaren Therapien bestenfalls geeignet Symptome der Alzheimer-Krankheit etwas abzumildern, so sollte nun erstmals der (?) zugrundeliegende Krankheitsprozess beeinflusst werden.

Beta-Amyloid als Target für Alzheimer-Therapeutika

Ein zentrales Element der Erkrankung ist die massive Ablagerung von unlöslichen Protein-Plaques zwischen den Nervenzellen; diese lösen eine Kaskade von pathophysiologischen Ereignissen aus: Schädigungen von Nervenzellen und deren Funktionen, Unterbindungen der Nervenverbindungen und schlussendlich Absterben der Nervenzellen. Wie heute mittels der nicht-invasiven Positronen-Emissionstomographie (PET) gezeigt werden kann, sind solche Plaques bereits Jahre, bevor noch die ersten Symptome auftreten, nachweisbar.

Die Zusammensetzung der Plaques wurde schon vor 40 Jahren aufgeklärt: Sie bestehen aus aggregierten, etwa 40 Aminosäuren langen Beta-Amyloid- Peptidketten, die aus dem Vorläufer-Protein Amyloid-Precursor -Protein (APP) abgespalten werden, das in vielen Körperzellen, insbesondere an den Synapsen der Nervenzellen exprimiert ist. Abbildung 1.

Abbildung 1: Bildung von Beta-Amyloid-Plaques. Enzyme wirken auf das in den Zellmembranen sitzende Amyloid-Vorläuferprotein ein und zerschneiden es in Fragmente. Zu den Bruchstücken gehören die etwa 40 Aminosäuren langen Beta-Amyloidpeptide (gelb), die im extrazellulären Raum zu unlöslichen Plaques aggregieren können. (Bild: http://www.nia.nih.gov/Alzheimers/Resources/HighRes.htm, gemeinfrei)

Seit mehr als 30 Jahren gehört Hemmung der Bildung von Amyloid-Aggregaten/Auflösung der Amyloid-Plaques zu den wichtigen Strategien in Forschung und Entwicklung von Alzheimer-Therapeutika. Laut der kuratierten Datenbank von Alzforum (https://www.alzforum.org/therapeutics) sind bis jetzt insgesamt 314 unterschiedliche Target-Typen in Tausenden klinischen Studien geprüft worden, 81 dieser Targets beziehen sich auf Beta-Amyloid, 9 davon sind Antikörper gegen Beta-Amyloid.

Die Ausbeute an registrierten Präparaten ist äußerst ernüchternd: seit den 1990-er Jahren wurden insgesamt nur 9 Medikamente zugelassen, davon 2 mit Bezug auf Amyloid-Beta (bei beiden handelt es sich um Antikörper gegen Beta-Amyloid). Abbildung 2.

Die Misserfolgsquote von über 97 % ist damit bedeutend höher als für Pharmaka in anderen Indikationen, wo 5 % (im Tumorgbiet) bis 10 % derer, die in die klinische Phase gelangen, auf dem Markt landen.

Abbildung 2: Alle bisherigen Alzheimer Targets, die in die klinische Entwicklung gelangten (314), etwa ein Viertel davon (81) betreffen die Blockierung/Auflösung der Amyloid-Plaques.(Grafik aus den Daten vom Alzforum erstellt; https://www.alzforum.org/therapeutics.)

Neben der marginalen Erfolgsrate ist auch die Wirksamkeit der registrierten Präparate bescheiden: sie können den fortschreitenden kognitiven Abbau etwas verlangsamen, nicht aber stoppen oder gar rückgängig machen.

Die Aduhelm-Saga

Nachdem fast 20 Jahre lang die Entwicklung von Alzheimer-Therapeutika nur Misserfolge gezeitigt hatte, wurde im Juli 2021 von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) ein neues Präparat - Aduhelm (Aducanumab) - zugelassen, genauer gesagt: Aduhelm erhielt eine beschleunigte Zulassung unter der Voraussetzung, dass eine Phase 4 -Studie die klinische Wirksamkeit des Medikaments bestätigen würde und die Anwendung sich auf Patienten in frühem Krankheitsstadium mit milden Symptomen beschränkte.

Forschung und Entwicklung von Aduhelm

Aduhelm ist eine Entdeckung des Schweizer Biotech-Unternehmens Neurimmune, eines Spin-offs der Universität Zürich, das um das Jahr 2000 schützende Anti-Amyloid-Antikörper bei gesunden älteren Menschen und Patienten mit langsam fortschreitender Demenz entdeckte und daraus den monoklonalen humanen Antikörper Aduhelm entwickelte [1].

Dieser Antikörper bindet spezifisch an eine Stelle (Epitop) des Amyloids in den Geweben der Patienten. Intravenös verabreicht passiert Aduhelm die Blut-Hirn-Schranke, bindet an das Beta-Amyloid im Gehirn und löst damit Immunreaktionen aus, die die Amyloid-Ablagerungen auflösen und beseitigen.

2007 hat Neurimmune den Antikörper an das US-Biotechunternehmen Biogen - einem Pionier in der Alzheimer-Forschung - auslizensiert, der diesen dann - zusammen mit dem japanischen Konzern Eisai - präklinisch und klinisch entwickelte.

In einer Studie im Jahr 2016 konnte mit Hilfe der Positron Emission Tomographie (PET) gezeigt werden, dass der Antikörper dosis- und zeitabhängig die Beta-Amyloid-Ablagerungen auflöste - nicht gezeigt wurde aber, wieweit die Reduktion der Plaques mit einer besseren kognitiven Leistung korrelierte.

Bezüglich der kognitiven Leistung lieferten 2019 zwei große klinische Studien an Patienten mit leichten Symptomen im frühen Stadium der Alzheimer-Krankheit widersprüchliche Ergebnisse: Obwohl die Behandlung mit Aduhelm die Amyloid-Ablagerungen stark reduzierte, konnte in einer der Studien (ENGAGE) keine Verbesserung der Gedächtnisleistungen im Vergleich zur Plazebogruppe gezeigt werden. In der zweiten Studie (EMERGE) war nach Auswertung weiterer Daten ein leichter Unterschied (18 - 22 % verlangsamte Verschlechterung gegenüber der Kontrollgruppe) in der hochdosierten Medikamentengruppe zu sehen. Die Reduktion der Plaques rief bei bis zu einem Drittel der Patienten Nebenwirkungen hervor, die im Gehirnscan als Schwellungen und Mikroblutungen des Gehirns erkennbar waren (sogenannte Amyloid-bedingte Bildgebungsanomalien (ARIA)) und in einigen Fällen schwerwiegende Folgen hatten.

Eine umstrittene Zulassung

2020 haben Biogen/Eisai den Zulassungsantrag bei der FDA eingereicht.

Die wissenschaftlich hochrangigen Mitglieder eines unabhängigen Beratergremiums der FDA haben wegen des Fehlens eindeutiger Wirksamkeitsnachweise und bedenklicher Sicherheitsaspekte gegen die Zulassung gestimmt. Die FDA hat dennoch am 7. Juni 2021 für eine beschleunigte Zulassung entschieden, wobei sie den Nachweis der Plaque-Reduktion durch Aduhelm als Surrogatmarker - Ersatzmesswert - für die wahrscheinliche Wirkung am Patienten akzeptierte. Der FDA schien es wichtig, dass nach fast 20 Jahren von Misserfolgen nun mit Aduhelm der erste Vertreter einer neuen Klasse von Alzheimer-Therapeutika registriert wurde.

Viele Experten haben die Zulassung als eine der schlechtesten Entscheidungen der FDA bezeichnet. Die Zulassung stieß auch auf heftige Kritik vieler Organisationen wie beispielsweis des amerikanischen Konsumentenschutzes ("Die Entscheidung zeigt eine rücksichtslose Missachtung der Wissenschaft und schadet der Glaubwürdigkeit der Behörde"), ebenso wie der Medien (New York Times: "How Aduhelm, an Unproven Alzheimer's Drug, Got Approved").

Angesichts einer fragwürdigen Wirksamkeit und mangelnder Sicherheit verweigerte die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) jedenfalls die Zulassung.

Aduhelm wird ein Flop...

Biogen hatte anfänglich den Preis des Medikaments auf 56.000 US-Dollar pro Jahr und Patient festgesetzt und später auf die Hälfte reduziert. Der hohe Preis und die Skepsis gegen das Medikament führten zu viel, viel weniger Verschreibungen als Biogen erwartet hatte. Dazu kam, dass dies US-Krankenversicherung Medicare die Erstattung auf Patienten beschränkte, die an klinischen Studien teilnahmen. Biogen konnte damit nur einen Bruchteil der erwarteten Umsätze einfahren.

Die Firma hat nun die klinische Studie ENVISION, mit der sie den von der FDA geforderten Wirksamkeitsnachweis erbringen wollte, weitere Entwicklungsarbeiten und das Marketing gestoppt und die Rechte an Aduhelm dem ursprünglichen Entdecker Neurimmune zurückgegeben.

... Nachfolger Leqembi bereits vorhanden

Dieser Schritt war offensichtlich nicht nur dem schlechten Abschneiden von Aduhelm geschuldet: Zusammen mit Eisai hatte Biogen ja mit Leqembi (Lecanemab) bereits einen Nachfolger mit besseren Erfolgsaussichten entwickelt. Dessen Wirksamkeit - eine bescheidene Verlangsamung des kognitiven Abbaus um 27 % - bei Patienten im frühen Stadium der Erkrankung (Studie CLARITY AD) reichte der FDA, um Leqembi 2023 als zweiten Amyloid-Antikörper zuzulassen - allerdings mit einer Black-Box-Warnung (das bedeutet: das Medikament kann ernste bis lebensbedrohende Nebenwirkungen ausllösen), da auch Leqembi die von Aduhelm bekannten Nebenwirkungen, Amyloid-bedingte Bildgebungsanomalien, hervorruft.

Leqembi gilt als Hoffnungsträger, da derzeit keine Therapie am Markt ist, die den Krankheitsprozess umkehreren/stoppen kann oder zumindest einen günstigeren Verlauf verspricht. Allerdings steht nun offensichtlich ein neuer Amyloid-Antikörper - Donanemab - des Pharmakonzerns Eli Lilly vor der Zulassung. Von Donanemab liegen als ausreichend eingestufte Wirksamkeitsdaten vor; allerdings ruft das Präparat - ebenso wie Aduhelm und Leqembi (und andere bis jetzt untersuchte Amyloid-Antikörper) - die auf Amlyoid-zurückführbaren Nebenerscheinungen - Gehirnschwellung en und Mikroblutungen - hervor.

Um der Konkurrenz zu begegnen, muss sich Biogen anstrengen und nun voll auf die Vermarktung von Leqembi konzentrieren.

Nachsatz

Ob die neuen Präparate die Alzheimer-Therapie revolutionieren werden, ist ungewiss. Das behandelbare Patientenkollektiv beschränkt sich (derzeit) ja nur auf Erkrankte im Frühstadium, die dazu auch u.a. mittels Gehirnscans selektiert und dann überwacht werden müssen, um die Amyloid-bedingten Nebenwirkungen möglichst gering zu halten. Da es derzeit keine Medikamente am Markt gibt, die Alzheimer heilen oder den Verlauf günstig modifizieren können, werden wohl viele dieser Patienten zu dem "Strohhalm" der Anti- Amyloid-Antikörper greifen und hoffen damit das Fortschreiten der Erkrankung längerfristig aufhalten zu können.

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[1] Ch. Hock et al., Antibodies against Slow Cognitive Decline in Alzheimer’s Disease. Neuron, Vol. 38, 547–554, May 22, 2003.

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Die Alzheimer-Erkrankung im ScienceBlog

Inge Schuster, 14.08.2022: Alzheimer-Forschung - richtungsweisende Studien dürften gefälscht sein

Irina Dudanova, 23.09.2021: Wie Eiweißablagerungen das Gehirn verändern

Francis S. Collins, 14.02.2019: Schlaflosigkeit fördert die Ausbreitung von toxischem Alzheimer-Protein

Inge Schuster, 24.06.2016: Ein Dach mit 36 Löchern abdichten - vorsichtiger Optimismus in der Alzheimertherapie

Francis S. Collins, 27.05.2016: Die Alzheimerkrankheit: Tau-Protein zur frühen Prognose des Gedächtnisverlusts

Gottfried Schatz, 03-07.2015: Die bedrohliche Alzheimerkrankheit — Abschied vom Ich

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Do, 25.01.2024 — Ricki Lewis

Krebs im frühen Stadium zu erkennen und zu behandeln kann die Erfolgsaussichten für Patienten bedeutend verbessern. Eine neue Entwicklung zur möglichst frühen Erkennung von möglichst vielen Arten von Krebserkrankungen sind Multi-Cancer-Early-Detection (MCED) Tests, auch als Flüssigbiopsie bezeichnete Tests, die von Krebszellen ins Blut (und andere Körperflüssigkeiten) abgesonderte biologische Substanzen wie Tumor-DNA oder - Proteine messen. Wie großangelegte neue Untersuchungen zeigen, lassen MCED-Testes Rückschlüsse auf mehr als 50 unterschiedliche Tumoren - darunter viele seltene Krebsarten, die oft viel zu lange unentdeckt bleiben - und den Ort ihrer Entstehung zu. Die Genetikerin Rick Lewis berichtet über das vielversprechende Potential dieser neuen Bluttests.*

Eine 52-jährige Frau ist bei ihrer jährlichen ärztlichen Untersuchung. Der Arzthelfer erwähnt, dass er zwei zusätzliche Blutkonserven für neue Krebsfrüherkennungstests benötigt, von denen einer gerade von der FDA zugelassen wurde und der andere im Rahmen einer klinischen Studie verfügbar ist.

"Aber ich bekomme bereits Mammographien und Darmspiegelungen aufgrund der Familienanamnese, und mein Mann wird jedes Jahr auf Prostatakrebs untersucht. Warum brauche ich diese neuen Tests?", fragt die Patientin.

"Diese können Krebserkrankungen viel früher erkennen, und zwar anhand der DNA und der Proteine in Ihrem Plasma, also dem flüssigen Teil des Bluts. Da sind auch Krebsarten dabei, die viel seltener sind als Brust-, Dickdarm- und Prostatakrebs."

"OK", sagt die Patientin und krempelt einen Ärmel hoch. Sie würde zu den Ersten gehören, die sich der "Multi-Krebs-Früherkennung" (MCED) unterziehen - einem Bluttest, der Hinweise darauf findet, dass Krebszellen in den Blutkreislauf gelangt sind. Eine im frühen Stadium begonnene Behandlung hat eine höhere Erfolgswahrscheinlichkeit. Ein MCED-Bluttest könnte ein Gamechanger für Menschen sein, die noch nicht symptomatisch an Krebs erkrankt sind.

Eine Flüssigbiopsie

Krebserkrankungen sind für 1 von 6 Todesfällen verantwortlich; nur etwa 40 Prozent werden früh genug erkannt, um erfolgreich therapiert zu werden. Bei einer Mammographie wurde mein Brustkrebs frühzeitig entdeckt; ein Arzt, der eine Beule in meinem Hals bemerkte, fand Schilddrüsenkrebs.

Für diejenigen, die an Krebs erkrankt waren, kann mittels einer "Flüssigbiopsie" auf ein Rezidiv - die Rückkehr der Erkrankung - geschlossen werden; dabei wird eine Körperflüssigkeit - in der Regel Blut, aber möglicherweise auch Urin, Sputum oder Kot - auf winzige DNA-Stücke untersucht, die krebsverursachende Mutationen enthalten. Die Forschung an solchen Flüssigbiopsien begann vor drei Jahrzehnten.

Die DNA-Schnipsel werden als "zellfrei zirkulierende DNA" oder cfDNA bezeichnet. Durch Überlagerung der Fragmente lässt sich die gesamte Genomsequenz der im Blutkreislauf enthaltenen Krebszellen wieder zusammensetzen und daraus Mutationen identifiziert werden. Darüber hinaus kann die Expression von Krebsgenen (ob es nun eingeschaltete oder ausgeschaltete Gene sind) aus den Methylierungsmustern - Methylgruppen, die an der DNA kleben - abgeleitet werden. Bei Krebs kann ein Tumorsuppressor-Gen mit Methylgruppen umhüllt und stillgelegt (silenced) werden und damit seine Funktion als Tumor-Unterdrücker verlieren. Oder ein Onkogen kann durch den Wegfall von Methylgruppen aktiviert werden und Krebs verursachen.

Eine Flüssigbiopsie - eben nur ein Bluttest - ist viel weniger schmerzhaft und invasiv als eine herkömmliche chirurgisch erhaltene Biopsie, bei der Krebszellen aus einem festen Tumor entnommen werden. Und eine Tumor-DNA ist spezifischer als ein Protein-Biomarker, der auch auf gesunden Zellen vorhanden sein kann, auf Krebszellen aber häufiger vorkommt.

Flüssigbiopsien haben bislang ihren Fokus auf Menschen gerichtet, die bereits an Krebs erkrankt waren, um ein Wiederauftreten des Tumors zu erkennen oder das Ansprechen auf die Behandlung zu überwachen. Der Heilige Gral ist aber der Einsatz bei Menschen, die weder an Krebs erkrankt waren noch sich aufgrund von Risikofaktoren wie Alter oder Familiengeschichte anderen Untersuchungen wie beispielsweise dem PSA-Test unterziehen müssen. Eierstockkrebs ist das klassische Beispiel. Er wird oft erst spät diagnostiziert, weil  Verdacht erweckende Anzeichen - Blähungen und Müdigkeit - vage sind und häufig auftreten und leicht auf etwas Harmloses wie eine Umstellung der Ernährung oder des Sportprogramms zurückgeführt werden.

MCED-Bluttests sind besonders vielversprechend für die vielen seltenen Krebsarten, die oft viel zu lange unentdeckt bleiben. Sie werden wahrscheinlich auch ältere Screening-Methoden in Bezug auf Sensitivität (alle an Krebs Erkrankten werden als krank identifiziert) und Spezifität (alle nicht an Krebs Erkrankten werden als gesund erkannt) übertreffen.

Die neuen MCED-Bluttests - ein Typ ist zugelassen, ein anderer experimentell - weisen DNA oder Proteine nach. Abbildung.

Die MECD- Bluttests weisen im Blutplasma DNA-Stückchen (blau) oder Proteine (grün) nach, die von Tumoren in die Blutbahn abgesondert werden. (credit Jill George, NIH)

Verdächtige DNA

Bereits auf Rezept erhältlich ist die "Multi-Krebs-Früherkennung aus einer einzigen Blutabnahme" des US-Gesundheitsunternehmens GRAIL. Im Oktober 2023 veröffentlichte das Unternehmen die Ergebnisse seiner Pathfinder-Studie im Fachjournal The Lancet. Darin wurden 6 662 Erwachsene im Alter von 50 + ohne Symptome beobachtet, die den Test gemacht hatten [1].

Die Überprüfung von Methylierungsmustern (ob Krebsgene ein- oder ausgeschaltet sind) führte zu mehr als einer Verdopplung der Zahl der neu entdeckten Krebserkrankungen, wobei sich fast die Hälfte davon in frühen Stadien befand. Nach einer Nachuntersuchung auf der Grundlage der spezifischen Krebsarten wurden die meisten Diagnosen in weniger als drei Monaten gestellt, also weitaus schneller als bei herkömmlichen Screening-Tests.

Der DNA-MCED-Test, Galleri genannt, deckt mehr als 50 Krebsarten ab, darunter viele, die derzeit mit den empfohlenen Screening-Tests nicht erkannt werden. So erkennt Galleri drei Arten von Krebs des Gallengangs, sowie Krebsarten des Dünndarms, der Mundhöhle, der Vagina, des Blinddarms, des Penis, des Bauchfells und weitere Arten, sowie die üblichen Krebsarten wie Bauchspeicheldrüsen-, Prostata- und Blasenkrebs.

Maschinelles Lernen wird eingesetzt, um DNA-Methylierungsmuster mit nützlichen klinischen Informationen zu verknüpfen, wie in einem Bericht in der Zeitschrift Cancer Cell erläutert wird. Der Ansatz gibt Aufschluss über die Krebsart und das Ursprungsorgan und unterscheidet Krebszellen von normalen Zellen, die einfach nur alt sind und DNA absondern.

Der Test hat 36 Krebsarten bei 35 Teilnehmern identifiziert, wobei bei einer Person zwei Krebsarten diagnostiziert wurden. Bei den üblichen Krebsuntersuchungen wurden 29 Krebsarten festgestellt.

Untersuchung von Proteinen

Wie bei der DNA in Flüssigbiopsien beruht die Identifizierung von Proteinen im Blutplasma auf der Erfassung von vielen Stückchen an Information.

Bekannt sind Screening-Tests zum Nachweis bestimmter Proteine, die mit einem erhöhten Risiko für bestimmte Krebsarten in Verbindung gebracht werden: PSA steht für Verdacht auf Prostatakrebs, Östrogen- und Progesteronrezeptoren auf Brustkrebszellen sind für die Wahl der Therapie ausschlaggebend, erhöhte Werte von CA125 weisen auf Eierstockkrebs hin.

Dies ist jedoch nur ein winziger Ausschnitt dessen, was durch die Katalogisierung der Konzentrationen vieler Proteine im Blutplasma möglich ist - ein Proteomik- Ansatz (Anm. Redn.: Unter Proteom versteht man die Gesamtheit aller in einer Zelle oder einem Lebewesen unter definierten Bedingungen und zu einem definierten Zeitpunkt vorliegenden Proteine.)

Eine "Proof-of-Concept"-Studie, die eben im BMJ Oncology veröffentlicht wurde, hat Schlagzeilen gemacht: "Ein geschlechtsspezifisches Panel von 10 Proteinen kann 18 verschiedene Krebsarten im Frühstadium erkennen" [2]:

Forscher von Novelna Inc. in Palo Alto haben aus Plasmaproben von 440 Personen, bei denen vor der Behandlung 18 verschiedene Krebsarten diagnostiziert wurden, und von 44 gesunden Blutspendern proteinbasierte "Signaturen solider Tumore" in bestimmten Organen abgeleitet. Sie haben die Häufigkeit von mehr als 3.000 Proteinen gemessen und die mit den Krebsarten assoziierten hohen und niedrigen Spiegel festgestellt. Die Auswahl der zu untersuchenden Proteine erfolgte auf Grund der biochemischen Reaktionswege, an denen diese Proteine beteiligt sind und die bei Krebs gestört sind, wie z. B. Signaltransduktion, Zelladhäsion und Zellteilung.

Ein wichtiger Teil der Studie war die Berücksichtigung des biologischen Geschlechts, da bestimmte Krebsarten bei Männern oder bei Frauen viel häufiger auftreten. Auch hier half künstliche Intelligenz den Ursprungsort des Tumors zu identifizieren sowie innerhalb eines Körperteils abzugrenzen, beispielsweise zwischen medullärem und follikulärem bzw. papillärem Schilddrüsenkrebs sowie zwischen kleinzelligem und nicht-kleinzelligem Lungenkrebs zu unterscheiden.

Niedrige Spiegel von zehn Plasmaproteinen erwiesen sich als aussagekräftige Prädiktoren für 18 Arten von soliden Tumoren, die geschlechtsabhängig sind. Aus den Konzentrationen von 150 Proteinen konnte auf den Entstehungsort des Tumors geschlossen werden, die Proteinsignatur zeigte auch das Stadium an, sogar ein sehr frühes.

In einem Leitartikel, der den Bericht im BMJ Oncology begleitete, weist Holli Loomans-Kropp von der Ohio State University darauf hin, dass "feststellbare geschlechtsspezifische Unterschiede bei Krebs - einschließlich des Alters des Auftretens, der Krebsarten und der genetischen Veränderungen - darauf hindeuten, dass der Ansatz mit MCEDs von Nutzen sein wird.... Kehlkopf-, Rachen- und Blasenkrebs treten bei Männern häufiger auf, Anal- und Schilddrüsenkrebs bei Frauen. Krebserkrankungen, die auf Mutationen im p53-Gen zurückzuführen sind, beginnen bei Frauen früher. Und die akute lymphoblastische Leukämie wird bei Männern und Frauen durch unterschiedliche Arten von Mutationen ausgelöst."

Auch andere genetische Messgrößen unterscheiden sich zwischen den Geschlechtern, z. B. die Anzahl der Mutationen, Kopienzahlveränderungen und Methylierungsmuster. Gene auf dem X-Chromosom unterdrücken das Tumorwachstum, und wir Frauen haben natürlich zwei Xs im Vergleich zu einem bei den Männern.

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In Zukunft wird ein Bluttest zur Früherkennung von Krebs vielleicht so zur Routine werden wie ein Cholesterin-Test. Krebs in einem frühen Stadium, auf eine so einfache Weise zu erkennen, verspricht schlussendlich viele Leben zu retten!

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 [1] Nicholson B.D., et al., Multi-cancer early detection test in symptomatic patients referred for cancer investigation in England and Wales (SYMPLIFY): a large-scale, observational cohort study. Lancet Oncology (2023); 24/7: 733-743. https://doi.org/10.1016/S1470-2045(23)00277-2

[2] Budnik B, et al.: Novel proteomics-based plasma test for early detection of multiple cancers in the general population. BMJ Oncology 2024;3:e000073. doi: 10.1136/bmjonc-2023-000073.

[3] Loomans-Kropp H., Multi-cancer early detection tests: a strategy for improvement. BMJ Oncology 2024;3:e000184. doi: 10.1136/bmjonc-2023-000184

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* Der Artikel ist erstmals am 11. Jänner 2024 in PLOS Blogs - DNA Science Blog unter dem Titel " Multi-cancer Early Detection Blood Tests (MCED) Debut "https://dnascience.plos.org/2024/01/11/multi-cancer-early-detection-blood-tests-mced-debut/  erschienen und steht unter einer cc-by Lizenz . Die Autorin hat sich freundlicherweise mit der Übersetzung ihrer Artikel durch ScienceBlog.at einverstanden erklärt, welche so genau wie möglich der englischen Fassung folgt.

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Do, 18.01.2024 — Redaktion

Die Ozeane und die Atmosphäre der Erde verändern sich mit der Erwärmung des Planeten. Einige Meeresgewässer werden grüner, weil mehr mikroskopisch kleine Organismen blühen. In der Atmosphäre beeinträchtigen Staubstürme, die auf einem Kontinent entstehen, die Luftqualität eines anderen Kontinents, während der Rauch großer Waldbrände ganze Regionen tagelang einhüllen kann. Der neueste Erdbeobachtungssatellit der NASA mit der Bezeichnung PACE (Plankton, Aerosol, Wolken, Ozean-Ökosystem) wird im Februar 2024 gestartet und soll uns helfen, die komplexen Systeme, die diese und andere globale Veränderungen im Zuge der Klimaerwärmung bewirken, besser zu verstehen.*

Mit der fortschreitenden Erwärmung des Klimas, die möglicherweise zu mehr Waldbränden und damit zu einer stärkeren Ablagerung von Asche führt, können wir davon ausgehen, dass sich die Phytoplankton-Gemeinschaften verändern werden. Ivona Cetinić, Oceanographer - Ocean Ecology Lab at NASA Goddard.

"Der Ozean und die Atmosphäre interagieren auf eine Art und Weise, die nur durch kontinuierliche Forschung vollständig verstanden werden kann", sagte Jeremy Werdell, Projektwissenschaftler für die PACE-Mission am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, "Mit PACE werden wir unsere Augen für viele neue Aspekte des Klimawandels öffnen". Abbildung 1.

Abbildung 1. . PACE wird dazu beitragen, den Gesundheitszustand der Ozeane zu beurteilen, indem es die Verteilung von Phytoplankton misst - winzige pflanzenähnliche Organismen und Algen, die das marine Nahrungsnetz erhalten. Außerdem wird es die Aufzeichnungen wichtiger atmosphärischer Variablen im Zusammenhang mit der Luftqualität und dem Klima der Erde erweitern. Bildnachweis: Screenshot, NASA's Scientific Visualization Studio

Der Ozean verändert seine Farbe

Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Ozean sind vielfältig und reichen vom Anstieg des Meeresspiegels über marine Hitzewellen bis hin zum Verlust der Artenvielfalt. Mit PACE ((Plankton, Aerosol, Wolken, Ozean-Ökosystem) werden die Forscher in der Lage sein, die Auswirkungen auf das Meeresleben in seinen kleinsten Formen zu untersuchen.

Phytoplankton sind mikroskopisch kleine, pflanzenähnliche Organismen, die nahe der Wasseroberfläche schwimmen und das Zentrum des aquatischen Nahrungsnetzes bilden, das allen möglichen Tieren - von Muscheln über Fische bis hin zu Walen - Nahrung bietet. Es gibt Tausende von Phytoplanktonarten, die jeweils unterschiedliche Nischen im Ozean besetzen.

Abbildung 2. Im Frühjahr und Sommer sind in der Barentssee nördlich von Norwegen und Russland oft blaue und grüne Blüten von Phytoplankton zu sehen. Das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) an Bord des NASA-Satelliten Aqua hat dieses Echtfarbenbild am 15. Juli 2021 aufgenommen. Bildnachweis: NASA Earth Observatory

Während ein einzelnes Phytoplankton in der Regel nicht mit bloßem Auge zu erkennen ist, können Gemeinschaften von Billionen von Phytoplankton, sogenannte Blüten, vom Weltraum aus gesehen werden. Blüten haben oft eine grünliche Färbung, was auf die Chlorophyllmoleküle zurückzuführen ist, die das Phytoplankton- wie die Landpflanzen - zur Energiegewinnung durch Photosynthese nutzt. Abbildung 2.

Laut Ivona Cetinić, einer Ozeanografin im Ocean Ecology Lab der NASA Goddard, reagiert das Phytoplankton auf Veränderungen in seiner Umgebung. Unterschiede in den Meerestemperaturen, den Nährstoffen oder der Verfügbarkeit von Sonnenlicht können dazu führen, dass eine Art aufblüht oder verschwindet.

Aus dem Weltraum lassen sich diese Veränderungen in den Phytoplankton-Populationen als Farbunterschiede erkennen, so dass Wissenschaftler die Abundanz und Vielfalt des Phytoplanktons aus der Ferne und im globalen Maßstab untersuchen können. Und Wissenschaftler haben kürzlich festgestellt, dass der Ozean etwas grüner wird.

In einer im Jahr 2023 veröffentlichten Studie haben die Forscher Daten zur Chlorophyllkonzentration genutzt, die das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) auf dem Aqua-Satelliten der NASA über mehr als 20 Jahre gesammelt hatte, um festzustellen, nicht nur wann und wo Phytoplanktonblüten auftraten, sondern auch, wie gesund und reichlich vorhanden sie waren. Abbildung 3.

Abbildung 3. Analyse von Ozeanfarbdaten des MODIS-Instruments auf dem Aqua-Satelliten der NASA. Die Wissenschaftler stellten fest, dass Teile des Ozeans durch mehr Chlorophyll-tragendes Phytoplankton grüner geworden sind. Kredit: NASA-Erdbeobachtungsstelle

Das Ocean Color Instrument (OCI) von PACE, ein Hyperspektralsensor, wird die Meeresforschung einen Schritt weiterbringen, indem es den Forschern ermöglicht, das Phytoplankton aus der Ferne nach Arten zu unterscheiden. (In der Vergangenheit konnten die Arten nur direkt aus Wasserproben heraus bestimmt werden). Jede Gemeinschaft hat ihre eigene Farbsignatur, die ein Instrument wie OCI identifizieren kann.

Die Identifizierung von Phytoplanktonarten ist von entscheidender Bedeutung, da die verschiedenen Phytoplanktonarten sehr unterschiedliche Funktionen in aquatischen Ökosystemen haben. Sie haben nützliche Funktionen, wie die Versorgung der Nahrungskette oder die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre für die Photosynthese. Einige Phytoplanktonpopulationen binden Kohlenstoff, wenn sie sterben und in die Tiefsee sinken; andere geben das Gas wieder an die Atmosphäre ab, wenn sie in der Nähe der Oberfläche zerfallen.

Einige jedoch, wie die in den schädlichen Algenblüten vorkommenden, können sich negativ auf Menschen und aquatische Ökosysteme auswirken. Das Vorhandensein schädlicher Algen kann uns auch etwas über die Qualität der Wasserquellen verraten, z. B. ob zu viele Nährstoffe aus menschlichen Aktivitäten vorhanden sind. Durch die Identifizierung dieser Gemeinschaften im Ozean können Wissenschaftler Informationen darüber gewinnen, wie und wo das Phytoplankton vom Klimawandel betroffen ist, und wie sich Veränderungen bei diesen winzigen Organismen auf andere Lebewesen und die Ökosysteme der Ozeane auswirken können.

Partikel in der Luft ernähren das Phytoplankton im Meer

Neben seiner Rolle als Gras des Meeres spielt das Phytoplankton auch eine Rolle in einem komplexen Tanz zwischen Atmosphäre und Ozean. Und PACE wird beide Partner in diesem Tanz beobachten.

Abbildung 4. Modell, das die Bewegung von Aerosolen über Land und Wasser im Aug. 2017 zeigt. Hurrikane und tropische Stürme zeichnen sich durch große Mengen an Meeressalzpartikeln aus, die von ihren wirbelnden Winden aufgefangen werden. Staub, der aus der Sahara weht, kann von Wassertröpfchen aufgefangen werden und aus der Atmosphäre abregnen. Rauch von massiven Waldbränden im pazifischen Nordwesten Nordamerikas wird über den Atlantik nach Europa getragen. Bildnachweis: Screenshot, NASA's Scientific Visualization Studio

Mit einem Blick aus dem Weltraum über den gesamten Planeten innerhalb von 2 Tagen, wird PACE sowohl mikroskopisch kleine Organismen im Ozean als auch mikroskopisch kleine Partikel in der Atmosphäre, die so genannten Aerosole, verfolgen. Wie diese beiden interagieren, wird den Wissenschaftlern zusätzliche Erkenntnisse über die Auswirkungen des sich ändernden Klimas liefern. Abbildung 4.

Wenn sich beispielsweise Aerosolpartikel aus der Atmosphäre auf dem Ozean ablagern, können sie wichtige Nährstoffe liefern, die eine Phytoplanktonblüte auslösen. Winde tragen manchmal Asche und Staub von Waldbränden und Staubstürmen über den Ozean. Wenn diese Partikel ins Wasser fallen, können sie als Dünger wirken und Nährstoffe wie Eisen liefern, die das Wachstum der Phytoplanktonpopulationen fördern. Abbildung 5.

Abbildung 5. Visualisierung, die ein Beispiel für einen Waldbrand in den Bergen der Sierra Nevada zeigt. Bildnachweis: Screenshot, NASA's Scientific Visualization Studio

Während das Farberkennungsinstrument von PACE Veränderungen im Phytoplankton erkennen wird, trägt der Satellit auch zwei als Polarimeter bezeichnete Instrumente - SPEXone und HARP2 - die Eigenschaften des Lichts (Polarisation) nutzen, um Aerosolpartikel und Wolken zu beobachten. Die Wissenschaftler werden in der Lage sein, die Größe, Zusammensetzung und Häufigkeit dieser mikroskopisch kleinen Partikel in unserer Atmosphäre zu messen.

Rauch, Schadstoffe und Staub sind auch der Ursprung der Wolken

Die neuen Daten von PACE zur Charakterisierung atmosphärischer Partikel werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, eine der am schwierigsten zu modellierenden Komponenten des Klimawandels zu untersuchen: die Wechselwirkung zwischen Wolken und Aerosolen.

Wolken bilden sich, wenn Wasser auf Luftpartikeln wie Rauch und Asche kondensiert. Ein leicht zu erkennendes Beispiel sind Schiffsspuren, die entstehen, wenn Wasserdampf kondensiert und helle, tiefliegende Wolken auf von Schiffen ausgestoßenen Schadstoffen bildet. Abbildung 6.

Abbildung 6. Schiffsspuren über dem nördlichen Pazifik. NASA-Bild, aufgenommen am 3. Juli 2010 mit dem Satelliten Aqua. Kredit: NASA NASA

Verschiedene Arten von Aerosolen beeinflussen auch die Eigenschaften von Wolken, wie etwa ihre Helligkeit, die von der Größe und Anzahl der Wolkentröpfchen abhängt. Diese Eigenschaften können zu unterschiedlichen Auswirkungen - Erwärmung oder Abkühlung - auf der Erdoberfläche führen.

Eine helle Wolke oder eine Wolke aus Aerosolpartikeln, die tief über einem viel dunkleren Ozean schwebt, reflektiert beispielsweise mehr Licht zurück in den Weltraum, was eine lokale Abkühlung bewirkt. In anderen Fällen haben sowohl Wolken als auch Aerosole eine wärmende Wirkung, die als "Blanketing" bezeichnet wird. Dünne Wolkenfahnen hoch oben in der Atmosphäre absorbieren die Wärme von der Erdoberfläche und strahlen sie dann wieder in Richtung Boden ab.

"Aus der Klimaperspektive ist die Beziehung zwischen Aerosolen und Wolken eine der größten Unsicherheitsquellen in unserem Verständnis des Klimas", sagt Kirk Knobelspiesse, Leiter der Polarimetrie für die PACE-Mission bei der NASA Goddard. Die neuen Erkenntnisse des Satelliten über Aerosolpartikel werden den Wissenschaftlern helfen, Wissenslücken zu schließen und unser Verständnis dieser Beziehung zu vertiefen.

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*Der vorliegende Artikel von Erica McNamee (NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md) ist unter dem Titel "NASA’s PACE To Investigate Oceans, Atmospheres in Changing Climate" am 11. Jänner 2024 auf der Website der NASA erschienen https://science.nasa.gov/earth/nasas-pace-to-investigate-oceans-atmospheres-in-changing-climate/. Der unter einer cc-by Lizenz stehende Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt.

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NASA im ScienceBlog

Redaktion, 29.06.2023: Fundamentales Kohlenstoffmolekül vom JW-Weltraumteleskop im Orion-Nebel entdeckt.

Redaktion, 22.06.2023: Gibt es Leben auf dem Saturnmond Enceladus?

Redaktion, 27.04.2023: NASA-Weltraummission erfasst Kohlendioxid-Emissionen von mehr als 100 Ländern.

Redaktion, 19.01.2023: NASA-Analyse: 2022 war das fünftwärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen.

Redaktion, 05.01.2023: NASA im Wunderland: Zauberhafte Winterlandschaften auf dem Mars.

Redaktion, 03.11.2022: NASA: neue Weltraummission kartiert weltweit "Super-Emitter" des starken Treibhausgases Methan.

Redaktion, 14.07.2022: James-Webb-Teleskop: erste atemberaubende Bilder in die Tiefe des Weltraums.

Inge Schuster, 05.09.2019: Pflanzen entfernen Luftschadstoffe in Innenräumen.

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Do, 11.01.2024 — Roland Wengenmayr

Katalysatoren spielen als Reaktionsbeschleuniger in Natur und Technik eine entscheidende Rolle. Lebensprozesse werden von Enzymen angekurbelt und über neunzig Prozent aller von der Chemieindustrie eingesetzten Reaktionen benötigen einen Katalysator. Dazu zählt die Ammoniaksynthese, der die Menschheit den künstlichen Stickstoffdünger verdankt. Weil Ammoniak viel Wasserstoff enthält, ist es auch als Wasserstoffspeicher für eine zukünftige Energiewirtschaft interessant. Allerdings muss es dazu auch wieder effizient in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt werden - der Schlüssel dazu sind neue Feststoffkatalysatoren. Der Physiker und Wissenschaftsjournalist Roland Wengenmayr berichtet über die Arbeiten von Prof. Dr. Claudia Weidenthaler, die mit ihrem Team am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an effizienten, preisgünstigen Katalysatoren für die Ammoniakzerlegung forscht.*

Katalysatoren eröffnen einer chemischen Reaktion einen günstigen Pfad durch eine Energielandschaft, der sonst verschlossen wäre. Während einer Reaktion brechen zuerst chemische Bindungen in den Edukten auf, dann bilden sich neue Bindungen. Dabei entstehen die Moleküle der Produkte. Den Reaktionsweg verstellt jedoch oft ein mächtiger Energieberg. Um diesen zu bezwingen, brauchen die Moleküle Energie. Der Katalysator senkt nun diesen hemmenden Energieberg ab. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Katalyse: Bei der homogenen Katalyse befinden sich die reagierenden Stoffe und der Katalysator in der gleichen Phase, etwa in einer Lösung. In der heterogenen Katalyse sind beide in getrennten Phasen. Bei technischen Anwendungen fließen dabei oft Gase über festes Katalysatormaterial, zum Beispiel beim „Autokat“.

Ammoniaksynthese ..............

Einen besonderen Beitrag hat die heterogene Katalyse zur Welternährung geleistet, denn ohne sie gäbe es keine Ammoniaksynthese. Diese bindet den Stickstoff aus der Luft chemisch im Ammoniak, aus dem wiederum Stickstoffdünger produziert wird. 2020 wurden weltweit 183 Millionen Tonnen Ammoniak produziert, was zwei Prozent des globalen Energieverbrauchs der Menschheit erforderte. Da die Energie und der Wasserstoff hauptsächlich aus fossilen Quellen stammten, setzte das 450 Millionen Tonnen CO₂ frei. Das entspricht etwa 1,4 Prozent der menschlichen CO₂-Emissionen im Jahr 2020. Ohne Katalysator wären allerdings Energieverbrauch und Emissionen ungleich dramatischer: Allein die Produktion von einem Kilogramm Ammoniak würde dann rund 66 Millionen Joule an Energie verbrauchen, was ungefähr der Verbrennungswärme von 1,5 kg Rohöl entspricht.

Als sich Ende des 19. Jahrhunderts der Weltvorrat an natürlichem Salpeter, aus dem Stickstoffdünger produziert wurde, erschöpfte, drohte eine Hungerkatastrophe. Rettung versprach der riesige Stickstoffvorrat in der Luft, denn sie besteht zu 78 Prozent aus Stickstoffmolekülen. Allerdings verschließt die sehr stabile Dreifachbindung des Moleküls den Zugang zu den Stickstoffatomen. An der dreifach harten Nuss scheiterten alle Forschenden – bis Fritz Haber sie 1909 knackte. Er entdeckte, dass Osmium als Katalysator unter hohem Druck die Ammoniaksynthese aus Stickstoff ermöglicht. Leider ist Osmium extrem selten, doch der Chemiker Carl Bosch und sein Assistent Alwin Mittasch fanden Ersatz: Eisen in Form winziger Nanopartikel erwies sich ebenfalls als guter Katalysator. Allerdings benötigte die Reaktion einen Druck von mindestens 200 bar und Temperaturen zwischen 400 °C und 500 °C. Boschs Gruppe konstruierte dafür einen massiven Durchflussreaktor. Schon 1913 startete die industrielle Produktion nach dem Haber-Bosch-Verfahren, das bis heute im Einsatz ist. Haber erhielt 1919 den Nobelpreis für Chemie, Bosch 1931.

Die Reaktionsgleichung der kompletten Ammoniaksynthese lautet

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃

Die Reaktion ist exotherm, in der Bilanz wird Wärmenergie frei: Pro Mol N₂ sind es 92,2 Kilojoule, pro Mol NH₃ die Hälfte, was auf ein Kilogramm Ammoniak rund 2,7 Megajoule ergibt. So viel Wärmeenergie setzt die Verbrennung von 92 Gramm Steinkohle frei. Der Eisenkatalysator im Haber-Bosch-Verfahren beschleunigt nun diese Reaktion. Aber was sich da genau auf seiner Oberfläche abspielt, konnte die Forschung lange nicht aufdecken. Man ging davon aus, dass die Anlagerung der N₂-Moleküle an seiner Oberfläche die Geschwindigkeit der Reaktion bestimmt. Offen blieb aber, ob die N₂-Moleküle auf der Fläche zuerst in einzelne Stickstoffatome zerfallen und dann mit dem Wasserstoff reagieren oder ob das komplette N₂-Molekül reagiert.

.............und ihr Ablauf im Einkristall

Erst 1975 konnten Gerhard Ertl und sein Team zeigen, dass das N₂-Molekül tatsächlich zuerst zerfällt. Der spätere Max-Planck-Direktor setzte die damals neuesten Methoden der Oberflächenforschung ein. Er untersuchte die katalytische Wirkung von perfekt glatten Eisenoberflächen im Ultrahochvakuum. Metalle wie Eisen besitzen eine kristalline Struktur, bei der die Eisenatome ein geordnetes dreidimensionales Gitter ausbilden. Ein perfekter Kristall heißt „Einkristall“. Schneidet man durch ihn hindurch, sind die Eisenatome auf diesen Flächen in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Unter solchen Idealbedingungen sollten sich die einzelnen Schritte des Katalyseprozesses leichter entschlüsseln lassen, vermutete Ertl. Tiefer im Kristall ist jedes Atom auf allen Seiten von Nachbaratomen umgeben. An der Oberfläche dagegen liegen die Atome frei. Kommt dort ein H₂-Molekül vorbei, dann können sie es deshalb an sich binden. Das passiert allerdings nur etwa einmal in einer Million Fällen. Durch diese Bindung an das Eisen geht der Energiegewinn durch die Dreifachbindung im N₂-Molekül verloren. Die Stickstoffatome lösen sich aus dieser Bindung und werden frei. Dem H₂-Molekül des gasförmigen Wasserstoffs ergeht es genauso, doch dessen Einfachbindung ist ohnehin recht locker. Die einzelnen Stickstoff- und Wasserstoffatome können nun untereinander chemische Bindungen eingehen (Abbildung 1). Ertls Gruppe schaffte es, den kompletten Ablauf der Ammoniaksynthese zu entschlüsseln und zu zeigen, wie man sie optimiert. Gerhard Ertl führte damit die exakten Methoden der Oberflächenforschung erstmals in die Katalyseforschung ein. Dafür bekam der frühere Direktor am Berliner Fritz- Haber- Institut der Max -Planck- Gesellschaft 2007 den Nobelpreis für Chemie.

 

Abbildung 1: Schritte der Ammoniaksynthese. Die rot gestrichelte Energiekurve zeigt die Reaktion ohne, die durchgezogene grüne mit Katalysator: Die N2– und H2– Moleküle liegen frei vor (1). Das N2-Molekül haftet sich an die Eisenoberfläche (2). Die dort adsorbierten N2– und H2– Moleküle zerfallen zu N- und H- Atomen (3). Es entstehen NH (4), NH2 (5) und NH3 (6). Das fertige Ammoniakmolekül hat sich von der Eisenoberfläche gelöst (7). Die grün und rot gestrichelten Energiekurven enden rechts auf einem tieferen Energieniveau – bei der Reaktion wird Energie frei. © Grafik: R. Wengenmayr nach G. Ertl / CC BY-NC-SA 4.0

Ammoniak – ein guter Wasserstoffspeicher?

Für eine Zukunft ohne fossile Brennstoffe gilt Wasserstoff als wichtiger Energieträger. Zum Beispiel könnten große Solarkraftwerke in sonnenreichen Ländern regenerativen Strom produzieren und in Elektrolyseanlagen Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Der grüne Wasserstoff würde dann zum Beispiel in Tankschiffen nach Europa verfrachtet werden, wo er in Industrieprozessen oder für die Energieerzeugung, etwa in Brennstoffzellen, verbraucht würde. Allerdings müsste der Wasserstoff dazu entweder gasförmig unter hohem Druck von 200 bar oder verflüssigt unterhalb von -252 °C in Tanks transportiert werden, was teuer und energetisch ineffizient ist.

Im Vergleich dazu bietet Ammoniak als Wasserstoffspeicher einige Vorteile. Der erste Vorteil ist seine hohe Energiedichte von 3,2 Kilowattstunden pro Liter, pro Kilogramm sogar 5,2 Kilowattstunden – zum Vergleich: bei Benzin sind es 9,7 beziehungsweise 12,7 Kilowattstunden. Zweitens wird Ammoniak bei 20 °C schon bei 8,6 bar Druck flüssig, grob dem doppelten Druck eines Fahrradreifens. Damit ist es gut in Tanks transportierbar. Ammoniak könnte die Tankschiffe selbst emissionsfrei antreiben. Die „Viking Energy“ ist das erste Schiff mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die aus Ammoniak elektrischen Strom für den Schiffsantrieb gewinnt.

Allerdings kann Ammoniak nur ein effizienter Wasserstoffspeicher sein, wenn das chemische Binden und Rückgewinnen des Wasserstoffs möglichst wenig Energie verbraucht. Hier kommt die Forschung von Claudia Weidenthaler ins Spiel. Die Professorin erzählt, dass nach besseren Katalysatoren und alternativen industriellen Prozessen gesucht wird, die das traditionelle Haber-Bosch-Verfahren in der Effizienz schlagen können. Ihr Team sucht hingegen Metallkatalysatoren, die Ammoniak in einem „Cracker“-Reaktor möglichst effizient wieder zerlegen. Mit ihren Methoden steht sie in der Tradition des Pioniers Gerhard Ertl. Sie erforscht systematisch verschiedene Metalle, die sich theoretisch gut als Katalysatoren eignen. Und sie räumt auch gleich mit der Vorstellung auf, dass Katalysatoren sich während der Reaktion nicht verändern. Das Gegenteil ist der Fall. Umso wichtiger wäre es, die Vorgänge an ihrer Oberfläche und darunter, im Trägermaterial, bis auf die Ebene einzelner Atome direkt „filmen“ zu können.

Die Katalyse im Blick

Abbildung 2. Ein Röntgen-Pulverdiffraktometer. (© David Bonsen/MPI für Kohlenforschung)

Leider gibt es kein konventionelles Mikroskop, mit dem man einfach bis in die Welt der Atome zoomen und direkt im chemischen Reaktor Videos aufzeichnen kann. Also muss das Team verschiedene Methoden kombinieren, die eines gemeinsam haben: Sie verwenden Wellenlängen, die viel kürzer als die von sichtbarem Licht sind. Röntgenlicht und fliegende Elektronen in Elektronenmikroskopen sind kurzwellig genug, um auch Details bis teilweise hinunter in den Zehntelnanometerbereich erfassen zu können. Herkömmliche Elektronenmikroskope können sehr gut die Strukturen von Oberflächen abbilden, haben aber den Nachteil, dass sie Vakuum benötigen. Damit lassen sich also mit gewöhnlichen Geräten nur Bilder von Katalysatoroberflächen vor und nach der Reaktion aufnehmen. Für die Beobachtung der laufenden katalytischen Reaktion nutzt das Mülheimer Team daher verschiedene Röntgenmethoden. Mit Hilfe eines Röntgen-Pulverdiffraktometers (Abbildung 2) kann das Team das Innere der winzigen Kristalle durchleuchten.

Die Methode ähnelt dem Physikexperiment, in dem Lichtwellen an einem feinen Gitter gebeugt werden. Das dahinter aufgenommene Beugungsbild enthält die genaue Information über die Beschaffenheit des Gitters. Auch die Metallatome im Kristall bilden ein räumliches Gitter mit Abständen im Bereich von Zehntelnanometern. Passt die Wellenlänge des Röntgenlichts, so liefert das Beugungsbild eine genaue Information über den Aufbau des Kristalls – und dessen Veränderungen während der katalysierten Reaktion.

Alternativen zum teuren Edelmetall

Die Reaktionsgleichung beim „Cracken“ von Ammoniak lautet

2 NH₃ → N₂ + 3 H₂

Diese Reaktion benötigt Energie, sie ist endotherm. Pro Mol NH3 sind das die schon bei der Synthese erwähnten 46,1 Kilojoule. Nun hat sich Eisen als relativ guter Katalysator beim Haber-Bosch-Verfahren etabliert. Doch ist es auch ein guter Katalysator für das Cracken? Eigentlich läge das nahe, ein Video kann ja auch einfach rückwärts ablaufen. Doch die Antwort lautet: nein. Für die Ammoniaksynthese und -zerlegung gilt, dass ein guter Katalysator für die eine Reaktionsrichtung nicht automatisch auch für die umgekehrte Richtung funktioniert.

Abbildung 3. Ammoniakzerlegung. Test von vier verschiedenen Proben des Katalysator-Trägermaterials, die entweder bei 550 oder 700 °C hergestellt wurden. Zwei Proben enthielten 4, zwei 8 Gewichtsprozent Cobalt. Untersucht wurde die Zerlegung von NH3 bei Temperaturen von 350 bis 650 °C. Das Katalysator-Trägermaterial, das bei 550 °C hergestellt wurde, ist effektiver, da bei niedrigeren Herstellungstemperaturen weniger Cobalt mit dem Al2O3 im Träger reagiert und als Katalysator inaktiviert wird. Ein höherer Anteil von Cobalt in der Probe wirkt sich positiv auf die NH3-Zerlegung aus, weil mehr Cobalt für die Katalyse zur Verfügung steht. © C. Weidenthaler; verändert nach ChemCatChem, 14/20, 2022, DOI: (10.1002/cctc.202200688) / CC BY 4.0

Der beste metallische Katalysator für das Zerlegen von NH₃ ist nach heutigem Kenntnisstand Ruthenium. Da dieses Edelmetall aber selten und teuer ist, sucht Weidenthalers Team nach günstigeren Alternativen. Vor allem sollen sich die neuen Katalysatoren später auch für die Reaktoren in der Industrie eignen. Dabei ist das Zusammenspiel zwischen dem Katalysator und dem Trägermaterial, auf dem er aufgebracht ist, wichtig. Auch das untersucht das Team. Ein Beispiel ist die jüngste Arbeit mit Cobalt als Katalysator auf einem Träger aus Aluminiumoxid-Nanokristallen. Cobalt ist ein vielversprechender Kandidat für die Ammoniakzerlegung. Und Aluminiumoxid versprach ein gutes Trägermaterial: Bei hohen Temperaturen von mehreren hundert Grad verhindert es, dass die feinen Cobaltpartikel auf der Trägeroberfläche „zusammenbacken“. Sintern heißt dieser unerwünschte Effekt, der die gesamte Cobaltoberfläche verkleinern würde, die für die Katalyse noch zur Verfügung stünde.

Das Mühlheimer Team stellte zunächst verschiedene Proben des Katalysator-Trägermaterials mit unterschiedlichen Cobaltanteilen bei Temperaturen von 550 °C und 700 °C her. Diese Proben testete das Team in einem Reaktor, durch den Ammoniakgas floss. Es konnte zeigen, dass sich eine niedrige Herstellungstemperatur und ein hoher Cobaltanteil positiv auf die Ammoniakzerlegung auswirken (Abbildung 3).

Die getesteten Proben sind jedoch für die industrielle Anwendung noch nicht geeignet, da erst bei Temperaturen ab ca. 600 °C eine vollständige Zerlegung des Ammoniaks erreicht wird. Diese hohen Temperaturen benötigen für Industrieprozesse zu viel Energie. Bei niedrigeren Temperaturen wäre der entstehende Wasserstoff noch mit Ammoniak verunreinigt und würde beispielweise Probleme beim Einsatz in Brennstoffzellen verursachen.

Die Forschenden untersuchten auch die Vorgänge bei der Herstellung des Katalysator-Trägermaterials: Auf der Oberfläche des Trägers bilden sich Nanopartikel von elementarem Cobalt, das katalytisch wirksam ist. Ein Teil des Cobalts wandert in das Trägermaterial, bildet mit dem Aluminiumoxid einen Mischkristall und wird dadurch inaktiviert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Strukturen im Cobalt-Aluminiumoxid-Träger. Das Trägermaterial besteht aus γ-Aluminiumoxid (links; Sauerstoff: kleine, dunkelrote Kugeln ; Aluminium: große, rosafarbene Kugeln). Auf der Oberfläche des Trägers bildet sich beim Herstellungsprozess elementares Cobalt. Dieses katalysiert die Ammoniakzerlegung. Ein Teil des Cobalts wandert in den Träger und bildet einen Mischkristall (rechts). Das Cobalt ist in dieser Form (blau: CoO4) nicht mehr katalytisch wirksam. © C. Weidenthaler, MPI für Kohlenforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Für die industrielle Anwendung ist es auch wichtig zu untersuchen, was passiert, wenn der „Cracker“-Reaktor abgeschaltet wird und das Katalysator-Trägermaterial abkühlt. Dem Team gelang es nicht mehr, Cobalt auf der Oberfläche des Trägermaterials nachzuweisen. Claudia Weidenthaler erklärt: „Wir vermuten, dass die Cobalt-Nanopartikel beim Abkühlen in noch kleinere Partikel zerfallen und deshalb mit der Röntgendiffraktometrie nicht mehr nachweisbar sind. Deshalb setzen wir nun Röntgenspektroskopie-Methoden ein, die eine atomare Auflösung erlauben.“ Damit kommt Claudia Weidenthalers Team dem „Filmen“ von Katalysevorgängen schon sehr nahe.

Optimierte Katalysatoren

Weitere offene Fragen sind: 

- Wohin wandert das Cobalt und in welcher Form liegt es vor?

- Verändert sich das Katalysator-Trägermaterial, wenn es mehrfach erhitzt wird und wieder abkühlt?

Die Suche nach einer geeigneten Kombination geht in Mülheim also weiter. Eine grundsätzliche Herausforderung ist dabei, dass der Katalysator mit dem Trägermaterial keine stabilen Bindungen eingehen darf, die ihn deaktivieren. Die andere Herausforderung: Der Katalysator darf mit den Produkten und Edukten keine Wechselwirkungen eingehen, die die Reaktion behindern.

Findet die Forschung hier gute, energieeffiziente Lösungen, wäre das ein großer Schritt zum Einsatz von Ammoniak als Wasserstoffspeicher.

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*Der Artikel ist erstmals unter dem Titel: " Auf dem Weg zum Wasserstoffspeicher - Katalysatoren für die Ammoniakzerlegung"  https://www.max-wissen.de/max-hefte/techmax-10-ammoniakzerlegung-wasserstoffspeicher/   in TECH-Max 10 im Herbst 2023 erschienen und wurde mit Ausnahme von Titel und Abstract und leichten Kürzungen unverändert in den Blog übernommen. Der Text steht unter einer CC BY-NC-SA 4.0 Lizenz

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Ammoniak - Energieträger und Wasserstoffvektor

Max-Planck-Gesellschaft: Mit Ammoniak zu grünem Stahl (24.04.2023). https://www.mpg.de/20212313/gruener-stahl-klimaneutral-ammoniak

Max-Planck-Gesellschaft: Grüner Stahl: Ammoniak könnte die Eisenproduktion klimafreundlich machen (2023). Video 2:10 min.https://www.youtube.com/watch?v=a_yUKX8zQfI&t=128s

Das Campfire Bündnis (BMBF): Wind und Wasser zu Ammoniak. https://wir-campfire.de/

EnergieZukunft (eu): Ammoniak in der Energiewirtschaft - Wasserstoff transportieren (14.11.2023). https://www.energiezukunft.eu/wirtschaft/wasserstoff-transportieren/

Frauenhofer ISE: Ammoniak als Wasserstoff-Vektor: Neue integrierte Reaktortechnologie für die Energiewende (21.9.2022). https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/news/2022/ammoniak-als-wasserstoff-vektor-neue-integrierte-reaktortechnologie-fuer-die-energiewende.html

Deutsches Umweltbundesamt :Kurzeinschätzung von Ammoniak als Energieträger und Transportmedium für Wasserstoff - Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken (15.02.2023). https://www.umweltbundesamt.de/dokument/kurzeinschaetzung-von-ammoniak-als-energietraeger  

Armin Scheuermann:Flüssiger Wasserstoff, Ammoniak oder LOHC – was spricht für welchen H2-Träger? (28.12.2022). https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/wasserstoff/fluessiger-wasserstoff-ammoniak-oder-lohc-was-spricht-fuer-welchen-h2-traeger-381.html

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Do, 04.01.2024 — Redaktion

Das Beben der Stärke 7,5 in Japan unterstreicht die Notwendigkeit von Erdbebenvorhersagen - eine Wissenschaft, die ihren "unseriösen" Ruf ablegt und sich der Realität annähert. Ein neuer Ansatz, Erdbeben mit Hilfe künstlicher Intelligenz vorherzusagen, hat Hoffnungen geweckt, dass die Technologie eines Tages eingesetzt werden könnte, um die Auswirkungen von Erdbeben auf Leben und Wirtschaft zu begrenzen. Der von Forschern der University of Texas in Austin entwickelte KI-Algorithmus hat während eines siebenmonatigen Versuchs in China 70 % der Erdbeben eine Woche vor ihrem Auftreten korrekt vorhergesagt.*

In Japan begann das neue Jahr mit einer Katastrophe: Am Montag, dem 1. Jänner erschütterte ein Erdbeben der Stärke 7,5 die Halbinsel Noto im Westen des Landes. Dutzende weiterer Nachbeben, viele mit einer Stärke zwischen vier und sechs, erschütterten in den folgenden Stunden die Umgebung des Epizentrums an der Küste, und Wissenschaftler warnen, dass in den kommenden Tagen noch weitere Beben erwartet werden. Die Japan Meteorologic Agency gab für weite Teile der Präfektur Ishikawa, in der sich das Beben ereignete, eine Tsunami-Warnung heraus, hat diese aber inzwischen auf eine Empfehlung reduziert. Bis Dienstagnachmittag wurde bestätigt, dass mindestens 55 Menschen ums Leben gekommen sind.

Japan ist mit mehr als 2 000 aktiven Verwerfungslinien eines der erdbebengefährdetsten Länder der Welt und hat eine lange Reihe tragischer Erdbeben hinter sich. Daher hat Japan, wie viele andere gefährdete Länder, in den letzten Jahrzehnten massiv in katastrophensichere Gebäude und Erdbebenwarnsysteme investiert.

Vorhersage des Zeitpunkts eines Bebens.....

Im Mittelpunkt der Erdbebenvorsorge steht jedoch der wohl umstrittenste Forschungsbereich: die Vorhersage des Zeitpunkts eines Bebens. Viele Wissenschaftler haben die Vorhersage von Erdbeben lange Zeit für unmöglich gehalten - oder sie sind ihr bestenfalls mit äußerst verhaltenem Optimismus näher gekommen. Abbildung 1.

Abbildung 1.Die Market Street in San Francisco nach dem katastrophalen Erdbeben - Friscobeben - im Jahr 1906. Mehr als 3000 Menschen starben. (Foto: gemeinfrei)

Noch im Jahr 2013 "galt das Thema Erdbebenvorhersage als unseriös und lag so außerhalb des Bereichs der Mainstream-Forschung wie die Jagd nach dem Ungeheuer von Loch Ness", schreibt die Seismologin Allie Hutchison im Fachjournal MIT Technology Review [1]. Und der U.S. Geological Survey (USGS) behauptet, dass "weder der USGS noch andere Wissenschaftler jemals ein großes Erdbeben vorhergesagt haben" [ 2] .

Angesichts der jüngsten Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz haben jedoch einige Forscher untersucht, ob sich dies ändern könnte. "Ich kann nicht sagen, dass wir das ändern werden, aber ich bin viel zuversichtlicher geworden, dass wir in den nächsten Jahrzehnten große Fortschritte machen werden. Ich habe jetzt mehr Hoffnung als je zuvor.", hat Paul Johnson im Jahr 2019 dem Smithsonian Magazine berichtet; Johnson ist ein Seismologe, der am Los Alamos National Laboratory mit maschinellem Lernen arbeitet [3].

.....erste Vorhersagen mit Hilfe von KI

Im vergangenen Herbst haben Forscher der University of Texas in Austin solchen Hoffnungen für die Erdbebenvorhersage mit einem siebenmonatigen Versuch in China neue Nahrung gegeben. In ihrer Studie, die im September im Bulletin of the Seismological Society of America veröffentlicht wurde, hat ein KI-Algorithmus 70 Prozent der Erdbeben eine Woche vor ihrem Auftreten korrekt voraus gesagt [4 ]. Das Team hat die künstliche Intelligenz anhand von seismischen Aufzeichnungen aus fünf Jahren (2016 - 2020; Anm. Redn.) trainiert und dann von ihr verlangt, bevorstehende Beben anhand der aktuellen seismischen Aktivität zu lokalisieren.

Insgesamt konnte der Algorithmus 14 Erdbeben vorhersagen, die jeweils weniger als 200 Meilen von ihrem tatsächlichen Epizentrum entfernt waren. Ein Beben wurde hingegen übersehen und acht vorhergesagt, die aber nicht stattfanden. Abbildung 2.

Abbildung 2. Die Karte zeigt die Lage der von der KI vorhergesagten Erdbeben in China (blaue Punkte), die durch eine rote Linie mit dem Ort verbunden sind, an dem das jeweilige Erdbeben tatsächlich stattfand (rote Punkte). Die Zahlen geben die Woche an, in der das Erdbeben stattfand. Während des 30-wöchigen Versuchs verpasste die von der UT Austin entwickelte KI nur ein Erdbeben. (Bild © Yangkang Chen / Jackson School of Geosciences)

Die Studie war Teil eines internationalen KI-Wettbewerbs, einer der wenigen Veranstaltungen dieser Art, die in den letzten Jahren durchgeführt wurden, um Technologien zur Erdbebenvorhersage voranzubringen [5].

"Die Vorhersage von Erdbeben ist der heilige Gral", sagt Sergey Fomel, Geowissenschaftler an der UT Austin und Mitglied des Forschungsteams, in einer Erklärung. "Wir sind noch nicht so weit, dass wir Vorhersagen für die ganze Welt machen können, aber das, was wir erreicht haben, zeigt uns, dass das, was wir für ein unmögliches Problem hielten, im Prinzip lösbar ist."

Möglichkeiten der KI

"Darüber hinaus könnte maschinelles Lernen Seismologen dabei helfen, verborgene Muster in Daten zu erkennen oder mehr Daten zu sammeln, um die Erdbebenvorhersage zu verbessern", schreibt Hutchison im MIT Technology Review. Einige Forscher zeigen zum Beispiel, wie die KI Aufzeichnungen von einem bestimmten seismischen Ort nutzen könnte, um die Stärke eines Erdbebens vorherzusagen. Ein Team hat neuronale Netzwerke entwickelt und trainiert, um vorherzusagen, wo nach einem Erstbeben Nachbeben auftreten könnten. Andere setzen maschinelles Lernen ein, um seismische Wellen - die Vibrationen, die sich bei tektonischen Aktivitäten durch die Erde ausbreiten - zu erkennen und aus einer verrauschten Aufzeichnung anderer Erschütterungen im Boden zu extrahieren.

Laut der Focus Group on A.I. for Natural Disaster Management der Weltorganisation für Meteorologie machen Erdbeben 21,8 Prozent aller Naturkatastrophen aus, bei denen zwischen 2018 und 2021 KI-Modelle zur Risikominderung eingesetzt wurden. Die zunehmende Forschung im Bereich der Erdbebenvorhersage weckt die Hoffnung der Wissenschaftler, dass weitere Durchbrüche möglich sind.

"Es gibt in unserer Gemeinschaft eine große Skepsis, und das aus gutem Grund", sagt Johnson gegenüber MIT Technology Review. "Aber ich denke, dass uns dies erlaubt, Daten zu sehen, zu analysieren und zu erkennen, was diese Daten enthalten, in einer Weise wie wir uns es nie hätten vorstellen können."

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 [1] Allie Hutchison: How machine learning might unlock earthquake prediction. https://www.technologyreview.com/2023/12/29/1084699/machine-learning-earthquake-prediction-ai-artificial-intelligence/

[ 2 ] USGS: Can you predict earthquakes? https://www.usgs.gov/faqs/can-you-predict-earthquakes

[3] M.Berger: Could Machine Learning Be the Key to Earthquake Prediction? https://www.smithsonianmag.com/science-nature/could-machine-learning-be-key-earthquake-prediction-180972015/)

[4] O.M. Saad et al., Earthquake Forecasting Using Big Data and Artificial Intelligence: A 30‐Week Real‐Time Case Study in China. Bulletin of the Seismological Society of America (2023) 113 (6): 2461–2478. https://doi.org/10.1785/0120230031

[5] AETA Earthquake Prediction AI Algorithm Competition 2021. https://competition.aeta.io/

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 *Der vorliegende Artikel von Christian Thorsberg ist unter dem Titel "Could A.I. Help Seismologists Predict Major Earthquakes?

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/ai-help-seismologists-predict-major-earthquakes-180983519/ am 2. Jänner 2024 im Smithsonian Magazin erschienen. Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt.

Smithsonian Institution (Smithsonian, https://www.si.edu/) ist eine bedeutende US-amerikanische Forschungs- und Bildungseinrichtung, die auch zahlreiche Museen, Galerien und den Nationalzoo betreibt. Das Smithsonian stellt seine komplette Sammlung nach und nach in elektronischer Form (2D und teilweise 3D) unter der freien CC-0-Lizenz kostenlos zur Weiterverbreitung zur Verfügung. Das Smithsonian Magazine (aus dem der obige Artikel stammt) bringt eine Fülle faszinierender, leicht verständlicher Artikelaus allen Bereichen der Natur und der Gesellschaften. https://www.smithsonianmag.com/?utm_source=siedu&utm_medium=referral&utm_campaign=home.

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Anmerkungen der Redaktion:

• Die Meinung der NASA zur Erbebenvorhersage

     "Daher möchte natürlich jeder wissen, ob Wissenschaftler Erdbeben vorhersagen können. Die kurze Antwort lautet nein. Aktuelle Smartphone-Apps können nur wenige Sekunden vor einem bestimmten Gebiet warnen, und Wissenschaftler können die Wahrscheinlichkeit abschätzen, dass eine Verwerfung irgendwann in den nächsten Jahrzehnten ausbricht, aber niemand kann genau vorhersagen, wann ein Erdbeben stattfinden wird":

      NASA Understanding Earthquakes: https://www.jpl.nasa.gov/topics/-earthquakes

• EU-Project (2021 - 2026):

     Das EU-finanzierte Projekt EARLI wird KI einsetzen, um schwache, frühe seismische Signale zu erkennen und so die Frühwarnung voranzubringen sowie Möglichkeiten der Erdbebenprognose zu erforschen:

    Detection of Early seismic signal using ARtificiaL Intelligence: https://cordis.europa.eu/project/id/949221/de

• Eine neue Technologie

    Am Center for High Energy Geophysics Research des Earthquake Research Institute (University of Tokyo) wird die Vulkanmyografie eingesetzt, ein neuer Ansatz für die Erforschung von Vulkanologie und Naturkatastrophen. Es ist eine Visualisierungstechnik, die sich der Myonen bedient, Elementarteilchen mit einer hohen Durchschlagskraft, die sogar Gestein von mehreren Kilometern Dicke durchdringen und die Dichteverteilung im Inneren massiver Strukturen - beispielsweise die Dynamik der Magma-Konvektion - aufzeigen können.

    Blick ins Innere der Erde mit Hilfe von Elementarteilchen: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/features/f_00059.html

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Fr.29.12.2023  — Inge Schuster

Hämoglobin, der in den Erythrozyten zirkulierende Transporter von Sauerstoff, wird offensichtlich auch in anderen Zelltypen produziert. Eine neue Untersuchung zeigt erstmals, dass Hämoglobin in den obersten Schichten der Epidermis und auch in den Haarfollikeln gebildet wird. Es wird als Antwort auf oxidativen Stress - wie er beispielweise durch UV-Bestrahlung entsteht - in den Keratinozyten hochreguliert und kann dort die Generierung von reaktiven Sauerstoff-Spezies hemmen und die Zellen vor deren Folgen schützen. Die Expression von Hämoglobin ist somit eine neue Facette in der Barrierefunktion der Epidermis.

Mit Hämoglobin verbindet wohl jeder sofort den Blutfarbstoff in den roten Blutkörperchen, den Erythrozyten, der den in der Lunge eingeatmeten Sauerstoff (O2) über den Blutkreislauf zu den Zellen unserer Gewebe und Organe transportiert. Die ununterbrochene Versorgung mit Sauerstoff ist unabdingbar, um die zur Instandhaltung und zum Funktionieren unserer Körperzellen nötige Energie in den Mitochondrien (über Zellatmung und oxydative Phosphorylierung) zu erzeugen; Sauerstoff ist aber auch unentbehrlich, um die zahllosen Oxydationsvorgänge im Stoffwechsel - zu Synthese und Metabolismus von körpereigenen Substanzen und zum Abbau von Fremdstoffen - zu ermöglichen. Für den Sauerstofftransport steht dabei eine sehr hohe Kapazität zur Verfügung: Erythrozyten bestehen zu etwa 90 % (ihres Trockengewichts) aus Hämoglobin und machen bis zu 50 % des Blutvolumens aus; das entspricht 120 bis 180 Gramm Hämoglobin pro Liter (von insgesamt 5 Liter) Blut, wobei ein Gramm Hämoglobin 1,34 ml Sauerstoff binden kann, und ein Erwachsener bei körperlicher Ruhe rund 280 ml Sauerstoff pro Minute einatmet. Im Gegenzug zur Abgabe von Sauerstoff bindet Hämoglobin einen Teil (rund 23 %) des bei der Zellatmung freiwerdenden CO2, das dann über das Blut in die Lunge transportiert und dort abgeatmet wird.

Zur Charakterisierung von Hämoglobin

Seine lebensnotwendige Rolle und hohe Verfügbarkeit haben Hämoglobin zu einem der meistuntersuchten Proteine der letzten 150 Jahre gemacht. Dazu gehört auch, dass die ersten Röntgenkristall-Analysen von 3D-Proteinstrukturen an Hämoglobin (durch Max Perutz) und dem strukturverwandten, einfacher aufgebauten Myoglobin - dem Sauerstoff-Speicher in der Muskulatur - (durch John Kendrew) stattfanden und 1962 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

Abbildung 1. Hämoglobin A (adulte Form - HbA) als Sauerstofftransporter. Das Bändermodell zeigt ein Tetramer aus je 2 αund 2 β Untereinheiten (Rot- und Blautöne), in die jeweils eine Hämgruppe - ein Protoporphyrin (grün) mit zentralem Eisenatom (rot) - über einen Histidinrest des Globins gebunden vorliegt. Sauerstoff bindet reversibel in der O2-Form an die 6. Koordinationsstelle des Hämeisens. (Bild: Fermi, G., Perutz, M.F. https://www.rcsb.org/structure/3hhb Lizenz: cc-by-sa)

Demnach ist Hämoglobin aus 4 Untereinheiten aufgebaut; beim erwachsenen Menschen sind das jeweils 2 Hb α und 2 Hb β Globine. Jede dieser Untereinheiten besteht aus 142 bis 146 Aminosäuren langen Peptidketten, die jeweils 8 Helices bilden mit einer Tasche, in der das Häm - ein Porphyrin-Molekül mit einem Eisen Fe2+ als Zentralatom - eingebettet ist. Abbildung 1.

An Hämoglobin wurde in den 1960er-Jahren auch erstmals das Phänomen einer kooperativen Bindung entdeckt; im konkreten Fall: Wenn Sauerstoff als O2-Molekül an das Hämeisen einer Untereinheit bindet, induziert es darin eine Konformationsänderung, die sich auf die anderen 3 Untereinheiten überträgt und dort eine erleichterte Bindung der anderen 3 Sauerstoffmolküle zur Folge hat.

Hämoglobin kann auch andere chemische Gruppen binden und transportieren: Direkt an das Hämeisen binden beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Cyanid (CN^-) oder Sulfid (S_2-), hemmen dadurch die Bindung von Sauerstoff mit schwerwiegenden Folgen. An Aminogruppen der Globine binden Moleküle wie CO₂ und das Signalmolekül Stickstoffmonoxid (NO), ein gefäßerweiterndes Gas.

Hämoglobin fungiert nicht nur als Transporter

Es generiert auch reaktive Sauerstoffspezies. Bei der Bindung von Sauerstoff kommt es häufig zur Autooxidation von Hämoglobin: dabei wird das Hämeisen Fe²⁺ zu Fe³⁺ oxidiert (Methämoglobin) und gleichzeitig Sauerstoff zum Superoxid-Radikal reduziert, aus dem dann das Hydroperoxid-Radikal und in weiterer Folge Wasserstoffperoxid entstehen. Abbildung 2.

Abbildung 2. Die Bindung von Sauerstoff an das Hämeisen führt häufig zur Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Vereinfachte Darstellung.

Die reaktiven Sauerstoffspezies reagieren (nicht nur) mit Hämoglobin und lösen eine Kaskade oxidativer Reaktionen aus, die zum Abbau des Häms, Freisetzung des Hämeisens (das freie Radikalreaktionen katalysiert), irreversiblen Vernetzungen der Globinketten und schlussendlich zum Abbau von Hämoglobin führen. Diese Reaktionen treten auch auf, wenn Hämoglobin oder Erythrocyten mit exogenem Wasserstoffperoxid reagieren, wie er bei anderen metabolischen Vorgängen (beispielsweise in den Mitochondrien) produziert wird und sogar, wenn Erythrozyten gelagert werden. Allerdings - solange Hämoglobin eingeschlossen in den Erythrozyten zirkuliert, schützt ein äußerst wirksames antioxidatives Abwehrsystem aus diversen Enzymen und endogenen niedermolekularen Substanzen wie Glutathion, Vitamin C, Coenzym Q10, etc. vor den kontinuierlich entstehenden reaktiven Sauerstoffspezies. Übersteigt die ROS-Produktion die Kapazität des Abwehrsystems, kommt es zu einer Beeinträchtigung der Sauerstoffzufuhr, Schädigung der Erythrozytenmembran verbunden mit dem Austritt von (geschädigtem) Hämoglobin und anderen Biomolekülen sowie ROS, die Entzündungsprozesse auslösen können.

Die Reaktion von Hämoglobin mit H2O2, die zur Zerstörung des Proteins führt, bedeutet gleichzeitig ein hochwirksame Neutralisierung von ROS und Schutz vor deren schädlichen Auswirkungen.

Hämoglobin wird auch außerhalb der Erythrozyten produziert.....

Dass Hämoglobin außerhalb der im Blutkreislauf zirkulierenden Erythrozyten eine Rolle spielt, war lange unbekannt. Erst in den letzten beiden Jahrzehnten zeigen mehr und mehr Untersuchungen, dass Hämoglobin in vielen, nicht den Erythrozyten oder ihren Vorläuferzellen angehörenden Zelltypen exprimiert wird [1]. Detektiert wurde Hämoglobin oder seine Untereinheiten Hb α und Hb β u.a. in Makrophagen, in Epithelzellen der Alveolen in der Lunge, im Pigmentepithel der Retina, in den Mesangialzellen der Niere, in Leberzellen, in Neuronen und Gliazellen, in der Schleimhaut der Gebärmutter und des Gebärmutterhalses, in den Chondrozyten des Knorpelgewebes und nun kürzlich in den Keratinozyten der obersten Hautschichten der Epidermis [2].

Die Funktion, die Hämoglobin in den einzelnen Zelltypen ausüben dürfte, reicht von Speicherung und Abgabe von Sauerstoff in spärlich durchbluteten Geweben (z.B. durch Hämoglobinkondensate in den Chondrozyten der Knorpelsubstanz [3]) über die Inaktivierung von reaktiven Sauerstoffmolekülen (H₂O₂, Hydroxyl-Radikal, Superoxid-Anion) bei oxidativem Stress (z.B: in Hepatozyten [1]) und von Stickoxiden (z.B. in der Lunge [4]) bis hin zu antibiotischen und antiviralen Eigenschaften von Peptiden, die durch Proteasen vom Hämoglobin abgespalten werden [5]. Je nach Zellstatus kann das Ausmaß der Hämoglobin-Expression variieren und bei erhöhtem Sauerstoffbedarf oder als Antwort auf oxidativen Stress/Entzündung hochreguliert werden.

... in Keratinozyten trägt es zur epidermalen Barriere gegen Umweltbelastungen bei....

Unsere Haut bildet eine hochwirksame Barriere gegen Umweltbelastungen - von Trockenheit, hoher Sauerstoffbelastung über Fremdstoffe, Mikroorganismen bis hin zur UV-Bestrahlung. Anpassung an diese Gegebenheiten haben im Laufe der Evolution die ausgeprägte mehrschichtige Struktur der obersten Hautschichte, der Epidermis geschaffen. Dieses hauptsächlich aus Keratinozyten bestehende Epithel, das bei uns Menschen unglaublich - im Mittel nur rund 0,1 mm - dünn ist [6], ist die eigentliche Barriere - die epidermale Barriere - gegen die Außenwelt. Die tiefste einzellige Schicht, das Stratum basale, besteht aus Keratinozyten, die sich aus Stammzellen heraus kontinuierlich und rasch teilen. Dadurch werden Zellen laufend nach außen in obere Schichten gedrängt, wobei sie aufhören sich zu teilen und einen Differenzierungsprozess durchlaufen, der sie innerhalb von rund einem Monat von Zellen des Stratum spinosum über Zellen des Stratum granulosum schließlich zu abgestorbenen verhornten Zellen im Stratum corneum umwandelt, die als Schuppen abgeschiefert werden (siehe dazu Abbildung 3 und auch [7]). Seit mehr als 50 Jahren wird über das Differenzierungsprogramm, die darin vom Stratum basale weg bis hin zur Verhornung involvierten Gene und die sich daraus entwickelnden Barrierefunktionen der epidermalen Schichten geforscht - viele Gene sind jedoch noch nicht entdeckt, weil es schwierig war terminal differenzierte Keratinozyten in ausreichender Menge für die Transkriptomanalyse zu erhalten.

Ein japanisches Team um Masayuki Amagai (RIKEN Center for Integrative Medical Sciences, Yokohama) hat kürzlich über eine umfassende Untersuchung der Gene, die in den zunehmend differenzierten Schichten der oberen Epidermis exprimiert werden, berichtet [2]. Die Forscher haben dabei eine vergleichende Analyse der transkribierten Gene in der gesamten Epidermis und in ihren abgetrennten oberen Schichten aus Hautproben von Menschen und Mäusen durchgeführt. Ein unerwartetes Ergebnis war die Expression des Hämoglobin A Gens in der Epidermis, das in der oberen Epidermis im Vergleich zur gesamten Epidermis angereichert war. Mit immunhistochemischen Methoden wurde auch eine hohe, vom Stratum spinosum zum Stratum granulosum zunehmende Konzentration des Hämoglobin Proteins (HbA) bei Mensch und Maus nachgewiesen. Auch in den Keratinozyten von Haarfollikeln wird HbA produziert, insbesondere in der Isthmusregion, nicht aber in der Wulstregion, die Stammzellen (Marker Keratin 15) und prolifierende Keratinozyten enthält. Abbildung 3.

Abbildung 3. Lokalisierung von Hämoglobin A in Keratinozyten der menschlichen Epidermis und des Haarfollikels (Die Haut stammte von der Hüfte einer 62 jährigen Frau).Oben: Das lila angefärbte HbA-Protein wird mit zunehmender Differenzierung in den Zellen der oberen Schichten zunehmend stärker exprimiert, fehlt jedoch in den toten Zellen des verhornten Stratum corneum. Im Vergleich dazu wird Keratin 10 (K10) gezeigt (grün), das als Marker der Differenzierung in allen Zellen ab dem Stratum spinosum (SS) aufscheint und im toten verhornten Stratum corneum akkumuliert. Der weiße Balken entspricht einer Distanz von 0,05 mm. Unten: Im Haarfollikel ist HbA besonders stark in den Keratinozyten der Isthmus Region (d.i, zwischen Talgdrüse und Haarbalgmuskel) exprimiert, dagegen nicht im unteren Bereich der Wulstregion, der Stammzellen und proliferierende Keratinozyten (Indikator Keratin 15, grün) enthält. (Bilder aus Tahara U., et al. 2023; [2. Lizenz cc-by]). Rechts unten: Schematische Darstellung eines Haarfollikels in der Haut (Bild: A. Friedrich, https://de.wikipedia.org/wiki/Haar#/media/Datei:Anatomy_of_the_skin_de.jpg. Lizenz cc-by) SB, Stratum basale; SS, Stratum spinosum, SG, Stratum granulosum; SC, Stratum corneum.

Wie früher erwähnt können von HbA abgespaltene Peptide antimikrobielle Aktivitäten aufweisen [5]. In Hinblick auf die ausgeprägte HbA-Expression im Isthmus des Haarfollikels könnte dies - nach Meinung der Autoren - auf den Bedarf an Stammzellschutz gegen die Invasion der Hautmikrobiota an der Follikelöffnung zurückzuführen sein.

...... und schützt vor allem gegen durch UV-Strahlung generierte reaktive Sauerstoffspezies

Die auf unsere Haut auftreffende UV-Strahlung des Sonnenlichts, besteht zu etwa 95 % aus UVA (350-400 nm) Strahlung, der Rest aus UVB (290-320 nm) Strahlung. Die energiereichere UVB-Strahlung verursacht direkte DNA-Schäden, UVA kann dagegen in viel stärkerem Maße als UVB ROS erzeugen.

In Primärkulturen menschlicher Keratinozyten und auch in einem 3D-Epidermis Modell haben die Forscher gesehen, das UVA-Bestrahlungen bereits bei der minimalen erythematischen Dosis, aber nicht UVB-Bestrahlungen die Expression von Hämoglobin hochregulierten. Gleichzeitig wurden durch die UVA-Bestrahlung Wasserstoffperoxid und andere ROS generiert, offensichtlich aber zum Großteil von Hämoglobin abgefangen/neutralisiert. Dies ging aus Versuchen hervor, in denen die Expression von Hämoglobin ausgeschaltet (mittels knockdown) war und die UV-induzierten ROS um ein Vielfaches anstiegen.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die epidermale HbA-Expression durch oxidativen Stress induziert wird und als Antioxidans zur Barrierefunktion der Haut beiträgt; nach Meinung der Autoren stellt dies einen körpereigenen Schutzmechanismus gegen Hautalterung und Hautkrebs dar.

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  [1] Saha D., et al. Hemoglobin Expression in Nonerythroid Cells: Novel or Ubiquitous? International Journal of Inflammation, vol. 2014, Article ID 803237, https://doi.org/10.1155/2014/803237.

[2] Tahara U., et al. Keratinocytes of the Upper Epidermis and Isthmus of Hair Follicles Express Hemoglobin mRNA and Protein. J Invest. Dermatol. 143 (12) 2023, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jid.2023.08.008.

[3] Zhang, F., et al. An extra-erythrocyte role of haemoglobin body in chondrocyte hypoxia adaption. Nature 622, 834–841 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06611-6

[4] M.P.Sumi et al.,Hemoglobin resident in the lung epithelium is protective for smooth muscle soluble guanylate cyclase function. Redox Biology, 07,2023, 63, https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102717

[5] Olari L-R., et al., The C‑terminal 32‑mer fragment of hemoglobin alpha is an amyloidogenic peptide with antimicrobial properties. Cellular and Molecular Life Sciences (2023) 80:151. https://doi.org/10.1007/s00018-023-04795-8

[6] Lintzeri D.A. et al., Epidermal thickness in healthy humans: a systematic review and meta-analysis (2022) J. Eur.Acad.Dermatol. Venereol. 36: 1191 -1200. https://doi.org/10.1111/jdv.18123

[7] Inge Schuster, 17.07.2015: Unsere Haut - mehr als eine Hülle. Ein Überblick.

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Verwandte Themen im ScienceBlog

Gottfried Schatz, 23.01.2015: Der besondere Saft

Inge Schuster, 06.09.2018: Freund und Feind - Die Sonne auf unserer Haut

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Fr, 22.12.2023 — Redaktion

Extreme Hitze und Dürre, wie sie für das Klima am Ende des 21. Jahrhunderts typisch sein werden, könnten in Europa schon früher als angenommen auftreten und dies wiederholt in mehreren aufeinander folgenden Jahren. Das ist die kürzlich publizierte Schlussfolgerung eines Forscherteams vom Max-Planck-Institut für Meteorologie (Hamburg), das eines der weltweit besten hochkomplexen Erdsystemmodelle "MPI Grand Ensemble" für seine Berechnungen einsetzte. Demnach liegt die Wahrscheinlichkeit, dass Hitze und Dürre ein Niveau erreichen, wie man es für das Ende des Jahrhunderts angenommen hatte - selbst bei einer moderaten Erwärmung -, bereits in den 2030er Jahren bei 10 %. Um 2040 könnten ganze Dekaden mit Hitzestress ihren Anfang nehmen, wobei ein warmer Nordatlantik den Wandel beschleunigen wird.*

Wenn die Erderwärmung weiter zunimmt, wird abnorme Hitze häufiger auftreten und extremer werden. Dass Hitze, die unsere bisherige Anpassungsfähigkeit deutlich übersteigt, zu erhöhter Morbidität und Sterblichkeit führt, ist erwiesen - bei den Hitzewellen 2015 in Indien und Pakistan und 2003 in Europa sind Tausende Menschen gestorben. Die Lage wird verschärft, wenn zu extremer Hitze noch hohe Luftfeuchtigkeit, mangelnde nächtliche Abkühlung oder anhaltende Trockenheit hinzukommen. Höchsttemperaturen und zunehmende Schwankungen zwischen extremer Trockenheit und immensen Niederschlägen werden zudem massive Auswirkungen auf Sozioökonomie und Ökologie haben und ganze Landstriche unbewohnbar machen. Die Bedrohung für Mensch und Umwelt wird noch ärger, wenn solche extremen Ereignisse in aufeinanderfolgenden Jahren wiederholt auftreten. Wie sich bei zunehmender Erwärmung die Wahrscheinlichkeit einer solchen mehrjährigen Abfolge von extremer Hitze und Trockenheit verändert, ist allerdings unklar, auch wie bald solche Ereignisse bereits auftreten können und wie diese Wahrscheinlichkeiten außerdem von der internen Variabilität des Klimasystems - spontan erzeugt durch Prozesse und Rückkopplungen im Klimasystem selbst — beeinflusst werden.

Das MPI-GE-Ensemble

Diese interne Variabilität des Klimasystems stellt heute eine der größten Unsicherheiten bei der Beurteilung aktueller Klimaschwankungen und bei den modellbasierten Projektionen der zukünftigen Klimaentwicklung dar. Das Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) in Hamburg entwickelt und analysiert hochkomplexe Erdsystemmodelle, welche die Prozesse in der Atmosphäre, auf dem Land und im Ozean simulieren. Das MPI Grand Ensemble (MPI-GE) ist eines der größten derzeit verfügbaren Ensembles für die Anfangsbedingungen eines umfassenden, vollständig gekoppelten Erdsystemmodells, mit dem u.a. die Unsicherheiten der internen Variabilität des Klimasystems untersucht werden können [1].

An Hand von hundert Simulationen mit diesem Erdsystem-Modell hat nun ein Forscherteam vom MPI für Meteorologie die Wahrscheinlichkeit für das (wiederholte) Auftreten von extremen Hitze- und Dürrestress berechnet. Die Ergebnisse wurden eben im Fachjournal Nature Communications Earth & Environment publiziert [2].

Die wichtigsten Aussagen

Selbst bei einer moderaten Erwärmung wird ein noch nie dagewesenes Ausmaß an Hitze- und Dürrestress, wie dies für das Klima am Ende des Jahrhunderts typisch sein wird, in naher Zukunft europaweit möglich sein.

Den Projektionen zufolge werden alle untersuchten Formen von Hitzestress bereits im Jahrzehnt 2030-2039 mit einer Wahrscheinlichkeit von 1:10 ein Niveau erreichen oder übertreffen, das vor 20 Jahren praktisch unmöglich war. Darüber hinaus wird der für das Ende des Jahrhunderts typische, wiederholt in aufeinanderfolgenden Jahren auftretende extreme Hitze- und Dürrestress bereits ab 2050 mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 1:10 möglich sein (dergleichen war seit Beginn der Aufzeichnungen noch nie beobachtet worden). Bis dahin werden in 20 % der Fälle zwei aufeinanderfolgende Jahre mit für das Ende des Jahrhunderts typischen Niederschlagsdefiziten prognostiziert, und es besteht ein nicht zu vernachlässigendes Risiko für 5 Jahre anhaltende extreme Dürre. Abbildung.

Wahrscheinlichkeit, dass es in Europa zu extremen, für das Ende des Jahrhunderts typischen Hitze- Dürreperioden kommt. a) Wahrscheinlichkeit für das Auftreten extremer Hitze (rot),verbunden mit hoher Luftfeuchtigkeit, mangelnder nächtlicher Abkühlung oder anhaltender Trockenheit in einem Jahr und in den folgenden 2 oder 5 Jahren, für die Zeiträume 2000-2024 (helle Farben), 2025-2049 (mittel-helle Farben) und 2050-2074 (dunkle Farben). Wahrscheinlichkeit von extremem Hitzestress in Europa in 2 aufeinanderfolgenden Jahren (b) und von extremer Hitze und Trockenheit in 5 aufeinanderfolgenden Jahren (c) im Zeitraum 2025-2049. (Quelle: L. Suarez-Gutierrez et al., https://doi.org/10.1038/s43247-023-01075-y [2]; Lizenz cc-by.)

Bei gleichbleibender globaler Erwärmung wird nicht nur die Häufigkeit von Hitze- und Dürreextremen zunehmen, auch deren Bandbreite wird von Jahrzehnt zu Jahrzehnt größer werden.

Diese Spanne wird so groß werden, dass Hitze- und Dürreperioden, wie sie für das Klima am Ende des Jahrhunderts typisch sein werden, in Europa bereits im Jahr 2040 Realität werden könnten. Im günstigsten Fall werden dann die Höchtstemperaturen bei Tag und Nacht im Bereich der Werte des wärmsten bislang in Europa aufgezeichneten Jahrzehnts von 2010 - 2019 liegen; im schlimmsten Fall wird die Häufigkeit und Heftigkeit der extremen Hitze- und Dürreperioden die für das Ende des Jahrhunderts typischen Ereignisse bei weitem übersteigen.

Der Einfluss des Nordatlantiks

Jedes dieser verheerenden Ereignisse könnte durch die interne Variabilität des Klimasystems früher als erwartet nach Europa gebracht werden können. Die über Dekaden zunehmende Variabilität des europäischen Hitze- und Dürrestresses wird stark von der multidekadischen Variabilität des Nordatlantiks beeinflusst. Diese zyklisch auftretende Zirkulationsschwankung der Ozeanströmungen im Nordatlantik (atlantic multidecadal variability - AMV) hat eine Periodendauer von 50 bis 70 Jahren und besitzt „warme“ und „kalte“ Phasen mit veränderten Meeresoberflächentemperaturen des gesamten nordatlantischen Beckens, die sich auf die Temperatur der Atmosphäre auswirken. Die Simulationen am MPI-GE zeigen, dass bei gleichzeitig wärmerem Nordatlantik bereits im Jahr 2030 ein Überschreiten der für das Ende des Jahrhunderts typischen Werte für einfache und komplexe Hitze- und Dürreperioden doppelt so wahrscheinlich ist, als bei einem kalten Nordatlantik.

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 *Diese Forschung wurde im Rahmen des vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts ClimXtreme durchgeführt und durch das Rahmenprogramm Horizon Europe der Europäischen Union unter den Marie Skłodowska-Curie Maßnahmen kofinanziert.

„ClimXtreme – Klimawandel und Extremereignisse“ hat unter Beteiligung von 39 Forscherteams in einer ersten Phase von 2019 - 2023 erforscht, wie sich der Klimawandel auf die Häufigkeit und Intensität von Extremwetterereignissen auswirkt. Nun startet die zweite Phase, die auch Zukunftsprognosen für Anwender, wie etwa für den Katastrophenschutz, Versicherungen, Landwirtschaftsverbände, Hochwasservorsorge, etc. entwickeln wird., um das Angebot ihrer Leistungen auf kommende Schäden durch Extremwetter besser abschätzen zu können. https://www.fona.de/de/aktuelles/nachrichten/2023/231207_ClimXtreme_Phase_2_b.php

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[1] Das Max-Planck-Institut Grand Ensemble – ein Instrument zur Untersuchung der internen Variabilität des Klimasystems: https://mpimet.mpg.de/kommunikation/detailansicht-news/das-max-planck-institut-grand-ensemble-ein-instrument-zur-untersuchung-der-internen-variabilitaet-des-klimasystems. (abgerufen am 20.12.2023)

[2] Suarez-Gutierrez, L., Müller, W.A. & Marotzke, J. Extreme heat and drought typical of an end-of-century climate could occur over Europe soon and repeatedly. Commun Earth Environ 4, 415 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-01075-y

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Klimawandel im ScienceBlog

ist ein Schwerpunktsthema mit bis jetzt knapp 50 Artikeln, die vom Überblick über Klimamodelle bis zu den Folgen des Klimawandels und den Bestrebungen zu seiner Eindämmung reichen.

Eine chrononologische Lise der Artikel findet sich unter: Klima & Klimawandel

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Sa, 16.12.2023— Inge Schuster

Am 5. Dezember sind die Ergebnisse der neuen internationalen Schulleistungsstudie PISA veröffentlicht worden. PISA wird seit dem Jahr 2000 von der OECD weltweit in Mitgliedstaaten und Nicht-Mitgliedstaaten alle drei Jahre durchgeführt. Dabei wird evaluiert, inwieweit Schüler im Alter von 15 Jahren über die für eine volle gesellschaftliche Teilhabe unerlässlichen Schlüsselkenntnisse und -kompetenzen in den drei Bereichen Lesekompetenz, Mathematik und Naturwissenschaften verfügen. Das Ergebnis: Im OECD-Durchschnitt schnitten 15-Jährige wesentlich weniger gut ab als bei den PISA-Tests 2018 und vor zehn Jahren, wobei Im deutschsprachigen Raum zwar alle Bewertungen über dem OECD-35 Durchschnitt liegen, aber auf einen vhm. hohen Anteil Jugendlicher hinweisen, welche die Grundkompetenzen in den Fächern fehlen. Insgesamt gesehen bringen die Reports kaum Anhaltspunkte, wie weniger erfolgreiche Bildungssysteme verbessert werden könnten.

Durch die Corona-Pandemie bedingt wurde die für 2021 geplante PISA-Studie (Programme for International Student Assessment) auf 2022 verschoben. Der Schwerpunkt der Erhebung lag dieses Mal auf Mathematik; untergeordnet waren die Bereiche Naturwissenschaften und Lesekompetenz (neu hinzugekommen ist ein Bereich kreatives Denken, dessen Ergebnisse aber erst 2024 berichtet werden sollen).

An der Studie haben mehr Staaten und Volkswirtschaften - 37 OECD Mitglieder, 44 Partnerländer - als je zuvor teilgenommen. Stellvertretend für die etwa 29 Millionen 15-jährigen Schüler dieser Länder haben sich rund 690 000 Schüler den Tests unterzogen. In den meisten Ländern wurden zwischen 4000 und 8 000 Schüler aus repräsentativen Stichproben getestet.

Konkret haben die Schüler während zwei Stunden Tests in zwei Bereichen (Mathematik & Naturwissenschaften oder Mathematik & Lesekompetenz) am Computer absolviert und danach in rd. 35 Minuten einen Fragebogen zu ihrem sozioökonomischen Status und zu anderen Fragen ausgefüllt. Dabei wurden Zusammenhänge zwischen Leistungen und sozioökonomischem Status, Geschlecht sowie Migrationshintergrund und auch zu den Auswirkungen der Corona-Pandemie untersucht.

Ein Mammutprojekt, was den Umfang der Ergebnisse betrifft.

Diese liegen nun in zwei insgesamt rund 1000 Seiten umfassenden Publikationen "Lernstände und Bildungsgerechtigkeit" [1] und "Learning During – and From – Disruption" [2] vor, weitere 3 Publikationen sind für 2024 geplant. Zusätzlich gibt es Zusammenfassungen für die einzelnen teilnehmenden Länder (https://www.oecd.org/publication/pisa-2022-results/country-notes/), eine Zusammenfassung "PISA 2022: Insights and Interpretations" [3] und auf 2 Seiten in Bildern "PISA 2022 key results (infographic)"[4].

Leider gibt es Ungereimtheiten bei den Aussagen und Interpretationen und es werden wenig Anhaltspunkte zur Verbesserung weniger erfolgreicher Systeme geboten.

Wie werden PISA-Tests analysiert/bewertet?

Vorweg eine kurze Zusammenfassung, um mit den Zahlen in den nächsten Abschnitten etwas anfangen zu können:

Die Testergebnisse werden einer Normalverteilung entsprechend skaliert mit Mittelwerten von etwa 500 Punkten und Standardabweichungen von etwa 100 Punkten. Bei den ersten schwerpunktmäßig getesteten Bereichen (Lesen: PISA 2000; Mathematik: PISA 2003; Naturwissenschaften: PISA 2006) haben 2/3 der Schüler demnach einen Wert zwischen 400 und 600 Punkten, 95 % der Schüler zwischen 300 und 700 Punkten erreicht.

Die verschiedenen Schwierigkeitsgrade in den Testbeispielen werden auf nach oben und unten offenen, in Kompetenzstufen unterteilten Skalen dargestellt. In Mathematik entspricht jede Kompetenzstufe einer Spanne von etwa 62 Punkten (Schwellenwerte der Kompetenzstufen in Zahlen: 1c = 233,1b = 295, 1a = 358, 2 = 420, 3 = 482, 4 = 545, 5 = 607, 6 = 669) (Tab. I.3.1 [1]). In Naturwissenschaften beträgt die Spanne etwa 75 Punkte, in Lesekompetenz ungefähr 73 Punkte.

Stufe 2 gilt als Grundkompetenzniveau, um in vollem Umfang am gesellschaftlichen Leben teilzuhaben. Schüler, die diese Stufe nicht erreichen - in Mathematik 420 Punkte, in Naturwissenschaften 410 Punkte, in Lesen 407 Punkte - werden als leistungsschwach bezeichnet, Schüler, die die Kompetenzstufen 5 oder 6 erreichen als  leistungsstark.

Globale PISA-Ergebnisse 2022

Seit dem Beginn der PISA-Erhebungen haben die durchschnittlichen Schülerleistungen weltweit in allen 3 Bereichen abgenommen. Wurde ursprünglich ein OECD-Leistungsdurchschnitt in den drei Bereichen von jeweils 500 Punkten festgelegt, so liegen nun die Durchschnitte von 35 OECD Ländern bei 472 Punkten in Mathematik, 485 Punkten in Naturwissenschaften und 472 Punkten in Lesekompetenz. Am stärksten ist der OECD-Leistungsdurchschnitt in Mathematik seit 2018 gesunken (Rückgang um fast 15 Punkte, d.i. dreimal so hoch wie jede der vorherigen Veränderungen) und in der Lesekompetenz (um 10 Punkte). Der Rückgang in den Naturwissenschaften (um 4 Punkte) fiel wesentlich geringer aus und war statistisch nicht signifikant. In den Key Results-Infografik ([1], [4]) wird der Rückgang und auch dessen Interpretation im Stil der in Zeitungen üblichen Clickbaits dargestellt (Abbildung 1).

Abbildung 1. Durchschnittliche Punktezahl in 22 OECD-Ländern seit dem Beginn der Pisatestungen und durchschnittlicher Rückgang im Lernfortschritt seit 2018 in Schuljahren. Ursprünglich wurde der Mittelwert in den OECD-Ländern auf 500 Punkte festgelegt. Die Grafik stammt aus PISA 2022 Key Results (infographic) [4]. Lizenz: cc-by-nc-sa). Caveat: Durchschnitt aus nur 23 Ländern! Zahlen stimmen nicht mit den tatsächlichen OECD-Durchschnittswerten seit 2000 überein.

Der Rückgang in Mathematik seit 2018 wird in den Key Results mit einem Lernrückschritt von etwa einem Dreivierteljahr gleichgesetzt, der Rückgang in Lesekompetenz mit einem halben Schuljahr (Abbildung 1). Als Basis dafür wurde ein aus aktuellen Schätzungen stammender Referenzwert von 20 Punkten für das durchschnittliche jährliche Lerntempo der 15-Jährigen in den Ländern der PISA-Teilnehmer angewandt (Kasten I.5.1 in Kapitel 5 [1]). Im selben Absatz warnt die OECD allerdings gleichzeitig davor "diesen Wert zu verwenden, um Punktezahldifferenzen in Äquivalente von Schuljahren (oder Schulmonaten) umzurechnen. Denn zum einen variiert das Lerntempo in einem bestimmten Alter von Land zu Land erheblich,..... Und zum anderen gibt es keinen Grund zur Annahme, dass das Lerntempo im Zeitverlauf konstant bleibt."

Die obige Quantifizierung des Lernrückschritts erscheint nicht nur auf Grund unterschiedlicher OECD Aussagen fragwürdig - beispielsweise wendet der Schweizer PISA-2022 Nationalbericht auf Basis anderer Schätzungen die Faustregel an, dass ungefähr 40 Leistungspunkte dem Lernfortschritt von einem Schuljahr entsprechen [5].

Wie ist nun der Abwärtstrend der OECD-Durchschnittsleistungen - insbesondere seit 2018 - zu bewerten?

In Anbetracht der hohen Punktedifferenzen zwischen leistungsschwachen und leistungsstarken Schülern innerhalb eines Landes und dem durchschnittlichen Leistungsabstand zwischen den leistungsstärksten und leistungsschwächsten Ländern (beispielsweise liegen in OECD-Ländern 153 Punkte zwischen Japan und Kolumbien, unter allen PISA-Teilnehmern 238 Punkte zwischen Singapur und Kambodscha) ist der Abwärtstrend zwar als eher klein aber als Warnsignal anzusehen:

Insgesamt gesehen sind seit 2018 die PISA-Punktzahlen im OECD-Durchschnitt sowohl bei den besonders leistungsstarken als auch bei den leistungsschwachen Schülern zwischen 2012 und 2022 zurückgegangen, d.i. der Anteil der leistungsschwachen Schüler hat zugenommen, der Anteil der leistungsstarken Schüler abgenommen.

In den OECD-Mitgliedstaaten haben 2022 rund 31 % der 15-Jährigen in Mathematik die Kompetenzstufe 2 nicht erreicht, das heißt es fehlt ihnen die Fähigkeit Mathematik in einfachen Alltagssituationen anzuwenden, 26 % erwiesen sich als leistungsschwach in der Lesekompetenz - sie können einfache Texte nicht interpretieren und 24 % sind leistungsschwach in den Naturwissenschaften, d.i. sie können nicht auf aus dem Alltag stammendes konzeptuelles Wissen zurückgreifen, um Aspekte einfacher Phänomene zu erkennen (siehe auch Tabelle 2).

Bei vielen Nicht-OECD-Mitgliedern fallen die Schülerleistungen noch negativer aus - in 18 Ländern und Volkswirtschaften - darunter 3 Balkanländern - sind mehr als 60 % der 15-Jährigen in allen drei Fächern leistungsschwach (Panama, Saudi-Arabien, Georgien, Nordmazedonien, Indonesien, Albanien, Jordanien, El Salvador, Paraguay, Guatemala, Marokko, Dominikanische Republik, Philippinen, Usbekistan, Kosovo, Kambodscha, Baku, Palästinenser-Gebiete).

Es gibt aber auch positive Entwicklungen.

Tabelle 1. Durchschnittliche Schülerleistungen in Punktezahlen (in Klammer: Veränderung seit 2018) in ostasiatischen Staaten/Volksgemeinschaften. Diese nehmen die Spitzenplätze aller Wertungen in den 81 getesteten Ländern/Volkswirtschaften ein. .

Einige ostasiatische Staaten und Volkswirtschaften haben sich zu besonders leistungsstarken Gebieten entwickelt, die ihre bereits 2018 sehr hohen Leistungen z.T. noch steigern konnten und nun die Weltranglisten in allen 3 Disziplinen anführen: Singapur, Hongkong (China), Japan, Korea, Macau (China) und Chinesisch Taipei. Tabelle 1.

Was im Report nicht Platz findet: Es sind Gesellschaften, die vor allem vom Konfuzianismus geprägt sind, der eine prinzipiell positive Einstellung zum Lernen hat.

Ist die COVID-Pandemie am Leistungsabfall seit 2018 schuld?

Das wäre eine einfache Erklärung - allerdings kann der Leistungsabfall nur zum Teil durch die mit der COVID-19-Pandemie einhergehenden Schulschließungen und Problemen bei der Umstellung auf den digitalen Distanzunterricht erklärt werden. Der Zeitverlauf der PISA-Daten zeigt deutlich, dass der Abwärtstrend in zahlreichen Ländern bereits vor 2018 begonnen hatte (siehe auch Abbildung 3).

PISA-2022 in Europa

Dass Europa durch einen Bildungsvorhang in zwei Teile getrennt ist, ist nicht neu aber in den PISA 2022-Reports kein Thema. Abbildung 2 zeigt diese Spaltung am Beispiel der durchschnittlichen Mathematikleistung - die Ergebnisse in Naturwissenschaften und Lesekompetenz geben ein ganz ähnliches Bild. Auf der einen Seite steht der Block von 24 OECD-Staaten, auf der anderen Seite der Block der Balkanländer und daran angrenzend Moldawien und die Ukraine; Kroatiens Durchschnittsleistungen in allen 3 Bereichen, lassen das Land als Teil des OECD-Blocks erscheinen.

Abbildung 2. PISA 2022: Ein Bildungsvorhang trennt die europäischen Staaten. Durchschnittsleistungen in Mathematik; schwarze Zahlen: OECD-Länder, blaue Zahlen Nicht-OECD-Länder.(Quelle: https://factsmaps.com/pisa-2022-worldwide-ranking-average-score-of-mathematics-science-and-reading/. Daten aus Table 1.B1.2.1. [1])

In Mathematik liegen die Durchschnittsleistungen von 24 Ländern des OECD-Blocks im Bereich der OECD-Durchschnittsleistung von 472 Punkten oder darüber und diese haben damit im Durchschnitt mindestens die Grundkompetenzstufe 2 (Spanne 420 - 482 Punkte) erreicht. Am besten schnitten Estland (510 Punkte) und knapp dahinter die Schweiz (508 Punkte) ab - 51 Punkte trennen die Nummer 1 von Island (459 Punkte), dem Land mit der niedrigsten Durchschnittsleistung, das einst mit Finnland und Schweden zu den Vorreitern im Bildungsbereich gehörte. Seit 2018 sind die Leistungen in allen europäischen OECD-Ländern gesunken, in vielen davon um mehr als 20 Punkte.

Die Mathematikleistungen des Balkanblocks liegen im Durchschnitt um 80 Punkte unter denen des OECD-Blocks, wobei der Kosovo (355 Punkte), Albanien (368 Punkte) und Nordmazedonien (389 Punkte) die schlechtesten Wertungen erhielten, im Durchschnitt Kompetenzstufe 2 nicht erreichten. Auch in Naturwissenschaften und Lesen schnitten diese und die anderen Länder des Balkanblocks ganz ähnlich ab wie in Mathematik.

Leistungstrends in Österreich und Vergleichsländern

Die Durchschnittsergebnisse in Mathematik, Naturwissenschaften und Lesekompetenz fielen in Österreich, Deutschland und der Schweiz schwächer aus als in den Jahren davor. Abbildung 3.

Abbildung 3. Wie haben Schüler in Österreich, Deutschland und der Schweiz in den drei Testbereichen seit 2000 abgeschnitten? Punkte: Durchschnittsleisung, Schwarze Linien: bester Trend, orange Linien: OECD-Durchschnittsleistung (aus nur 23 Ländern! - die Kurven stimmen nicht mit den tatsächlichen OECD-Werten seit 2000 überein.) Quelle: https://www.oecd.org/publication/pisa-2022-results/country-notes/. Lizenz cc-by-nc-sa.

In den drei Ländern ist der Leistungsdurchschnitt in allen Bereichen seit Beginn der PISA-Tests massiv zurückgegangen, die Länder liegen dennoch über oder am OECD-Durchschnitt: über dem Durchschnitt sind in Mathematik die Schweiz um 36 Punkte, Österreich um 15 Punkte, Deutschland um 3 Punkte; in den Naturwissenschaften um 6 resp. 7 Punkte in Österreich und Deutschland und um 18 Punkte in der Schweiz und schließlich in der Lesekompetenz um jeweils 8 Punkte in Österreich und Deutschland und um 11 Punkte in der Schweiz (siehe auch Tabelle 2).

Wo liegen damit die drei Länder in der globalen Bewertung?

Als Vergleichsländer sollen das frühere Vorzeigeland Finnland, die derzeitige Nummer 1 in Europa, Estland und die globale Nummer 1 Singapur dienen (Tabelle 2).

Auch in Finnland und Estland sind die Leistungen seit 2018 in allen Gebieten zurückgegangen, in Singapur dagegen in Mathematik und Naturwissenschaften noch gestiegen - dort liegen diese nun um bis zu 100 Punkten über den Bewertungen unserer Länder.

Tabelle 2. Durchschnittliche Schülerleistungen in den deutschsprachigen Ländern und Vergleichsländern.

Leistungsschwache und leistungsstarke Schüler

Wie bereits früher erwähnt, liegt der Anteil der Schüler die die Grundkompetenzstufe 2 nicht erreichen im OECD-Durchschnitt bei rund einem Viertel in Naturwissenschaften und in Lesekompetenz und bei fast einem Drittel in Mathematik. Etwa 9 % der Schüler erreichten die höchsten Leistungsniveaus in Mathematik und rund 7 % in Naturwissenschaften und Lesekompetenz. Der Anteil leistungsschwacher und leistungsstarker Schüler ist in Deutschland in allen Fächern etwa gleich hoch wie im OECD-Durchschnitt, schwache und starke Leseleistung liegen auch in Österreich und der Schweiz im OECD-Durchschnitt. Österreich und vor allem die Schweiz haben einen niedrigeren Anteil an sehr schwachen und einen höheren Anteil an starken Mathematik-Schülern. In Naturwissenschaften liegt Österreich etwas, die Schweiz stärker über dem OECD-Durchschnitt. Abbildung 4. Der Anteil der leistungsschwachen Schüler ist in Österreich seit 2012 um jeweils 6 % in Mathematik und in den Naturwissenschaften und um 5 % in Lesekompetenz gewachsen.

Abbildung 4. Anteil der Schüler [%], welche die Grundkompetenzstufe 2 nicht erreichten und welche mindestens Kompetenzstufe 5 erzielten. Quelle: PISA-2022-Datenbank, Tabelle I.B1.5.1–12, I.B1.5.19, I.B1.5.20 und I.B1.5.21[1]

Im Vergleich dazu:

Estland, die Nummer 1 in Europa weist mit 15 % in Mathematik, 10 % in Naturwissenschaften und 14 % im Lesen wesentlich niedrigere Anteile an sehr schwachen und mit 13 % in Mathematik, 12 % in Naturwissenschaften und 11% im Lesen höhere Anteile an leistungsstarken Schülern auf als die deutschsprachigen Länder.

In Mathematik nimmt Singapur die globale Spitzenposition ein: 8 % liegen unter Kompetenzstufe 2 und 41 % erreichten Stufe 5, 6. Spitzenleistungen in Mathematik erzielten auch die anderen ostasiatischen Staaten/Volkswirtschaften Taipei (32%), Macao (China) (29%), Hong Kong (27%), Japan (23%) und Korea (23%).

Insgesamt gesehen und für das weitere Berufsleben entscheidend ist der Anteil der 15-Jähringen, die in allen 3 Fächern die Grundkompetenzstufe nicht erreichen: im OECD-Raum liegt dieser bei 16,4 %, in Deutschland (16,7 %) vergleichbar hoch, in Österreich (15,5 %) kaum viel niedriger und auch in der Schweiz mit 12,4 % noch zu hoch. In Estland sind es dagegen nur 5,2 % (Tabelle 1.1[1]).

Wie lässt sich der Rückgang der Schülerleistungen seit 2018 erklären?

Wie oben bereits erwähnt - sicherlich nicht ausschließlich durch die Folgen der Corona-Pandemie. Auf keinen Fall auch durch die weltweiten, seit langem bestehenden Leistungsunterschiede: Buben in Mathematik besser als Mädchen, Mädchen in Lesekompetenz besser als Buben.

Ein wichtiger Prädikator der Schülerleistungen ist der sozioökonomische Status - ESCS -, d.i. der wirtschaftliche, soziale und kulturelle Background der Schüler (ein Index, der sich aus der höchsten Bildungsstufe der Eltern, deren höchster beruflicher Stellung und dem materiellen Wohlstand der Familie zusammensetzt). Wie auch in früheren Studien gezeigt, schneiden sozioökonomisch begünstigte Schüler besser ab als benachteiligte Schüler. Im OECD-Durchschnitt liegt beispielsweise der Leistungsunterschied von begünstigten vs. benachteiligten Schüler in Mathematik bei 93 Punkten. Der aktuelle Punkteabstand in Österreich sind 106 Punkte, in Deutschland 111 Punkte und in der Schweiz 117 Punkte - kein Unterschied zum globalen Top-Performer Singapur bei 112 Punkten.

Ein wesentlicher Unterschied liegt allerdings in der Zuwanderung von sozioökonomisch-kulturell unterschiedlich geprägten Menschen. Der Report [1] schreibt dazu "Der Anteil der Schüler mit Migrationshintergrund hat sich in den meisten PISA-Teilnehmerländern seit 2012 nicht nennenswert verändert; in 20 Ländern bzw. Volkswirtschaften ist er jedoch gestiegen und in 5 anderen gesunken. Im OECD-Durchschnitt beträgt der Anteil der 15-jährigen Schüler mit Migrationshintergrund 13 %. In 40 Ländern und Volkswirtschaften machen die Schüler mit Migrationshintergrund weniger als 5 % der Grundgesamtheit der 15-jährigen Schüler, in 11 ist er höher als 25 %."

Zu diesen 11 Ländern gehören Österreich, Deutschland und die Schweiz. In Europa weisen sie die höchsten Anteile von 15-jährigen Schülern mit Migrationshintergrund auf und deren Anteil ist seit 2012 enorm gestiegen. Abbildung 5.

Abbildung 5.Der Anteil der migrantischen Schüler ist zwischen 2012 und 2022 in den deutschsprachigen Ländern im Vergleich zum OECD-Raum enorm gestiegen. Die Leistungsdifferenz kann nur teilweise durch den unterschiedlichen sozioökonomischen Background erklärt werden. Punktedifferenz: nicht-migrantische vs migrantische Schüler- in Klammer nach Berücksichtigung der soziökonomischen Unterschiede. (Daten aus [1], Bild rechts aus Key Results Infografic [4], Lizenz: cc-by-nc-sa)

Der PISA-Report fährt fort: "Der Anteil der sozioökonomisch benachteiligten Schüler ist im OECD-Durchschnitt unter den Schülern mit Migrationshintergrund größer (37 %) als unter denen ohne (22 %)" [1]. In den meisten Ländern schneiden daher Schüler ohne Migrationshintergrund in allen PISA-Erhebungsbereichen besser ab. Erschwerend kommt noch die Sprachbarriere hinzu - Schüler mit Migrationshintergrund sprechen zu Hause überwiegend eine andere Sprache als die Schulsprache - In Österreich, Deutschland und der Schweiz sind dies mehr als 60 %.

Die hohen Migrationsströme in die deutschsprachigen Länder haben zweifellos zu einem Rückgang der Durchschnittsleistungen beigetragen; im Vergleich dazu gibt es in der Nummer 1 in Europa, Estland, nur 8,7 % Schüler mit Migrationshintergrund, die sich zudem in den Leistungen von den anderen Schülern weniger unterscheiden.

Die mit "Kein signifikanter Unterschied zwischen Schüler*innen mit und ohne Migrationshintergrund" übertitelte Infografik in Abbildung 5 ist wiederum ein clickbait, der nicht die reale Situation, sondern bloß ein Wunschdenken der OECD vermittelt: "Wenn die Bildungspolitik sozioökonomische Benachteiligung und Sprachbarrieren bei Schüler*innen mit Migrationshintergrund ausgleicht (u. a. durch einen gezielten Einsatz von Bildungsressourcen zugunsten sozioökonomisch benachteiligter Schüler*innen mit Migrationshintergrund), können die Länder und Volkswirtschaften die Leistungen ihrer Schüler*innen mit Migrationshintergrund beträchtlich steigern."[1]

Ein wenig ermunternder Ausblick

den Andreas Schleicher, Direktor für Bildung und Kompetenzen bei der OECD, in dem Report Insights and Interpretations gibt [3]."Die Ergebnisse bieten eine Momentaufnahme der Bildungssysteme zu einem bestimmten Zeitpunkt; aber sie zeigen nicht - sie können nicht zeigen - wie die Schulsysteme zu diesem Punkt gekommen sind oder die Institutionen und Organisationen, die den Fortschritt gefördert oder behindert haben könnten. Außerdem sagen die Daten nicht wirklich viel über Ursache und Wirkung aus. Wir wissen zwar besser, was erfolgreiche Systeme tun, aber das sagt uns nicht unbedingt, wie wir weniger erfolgreiche Systeme verbessern können."[3]

Vielleicht hätte Schleicher auf die OECD-Definition des sozioökomischen Profils Bezug nehmen sollen, das durch den PISA-Index des ökonomischen, sozialen und kulturellen Status gemessen wird. Was die als Sieger im PISA-Test hervorgehenden ostasiatischen Länder auszeichnet, ist eine Weltanschauung, die auf Lernen und Leistung ausgerichtet ist. Um dazu den Lehrmeister Konfuzius zu zitieren:

Etwas lernen und mit der Zeit darin immer geübter werden,

ist das nicht auch eine Freude? [6].

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[1] OECD (2023), PISA 2022 Ergebnisse (Band I): Lernstände und Bildungsgerechtigkeit, PISA, OECD Publishing, Paris, , https://doi.org/10.1787/b359f9ab-de.

[2] OECD (2023), PISA 2022 Results (Volume II): Learning During – and From – Disruption, PISA, OECD Publishing, Paris, https://doi.org/10.1787/a97db61c-en.

[3] Andras Schleicher: Insights and Interpretations: https://www.oecd.org/pisa/PISA%202022%20Insights%20and%20Interpretations.pdf

[4] PISA 2022 key results (infographic): https://www.oecd-ilibrary.org/sites/afda44bb-en/index.html?itemId=/content/component/afda44bb-en

[5] Erzinger, A. B., et al., (Hrsg.) (2023). PISA 2022. Die Schweiz im Fokus. Universität Bern. https://dx.doi.org/10.48350/187037

[6] Konfuzius-Aussprüche: https://www.aphorismen.de/zitat/3971, abgefragt am 10.12.2023

 

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Artikel zum Thema im ScienceBlog:

Inge Schuster, 04.02.2023: Enorme weltweite Bildungsdefizite - alarmierende Zahlen auch in Europa.

Inge Schuster, 30.10.2021: Eurobarometer 516: Umfrage zu Kenntnissen und Ansichten der Europäer über Wissenschaft und Technologie - blamable Ergebnisse für Österreich

Inge Schuster, 03.10.2021: Special Eurobarometer 516: Interesse der europäischen Bürger an Wissenschaft & Technologie und ihre Informiertheit

Inge Schuster, 10.08.2017: Migration und naturwissenschaftliche Bildung

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Sa, 02.12.2023 — Roland Wengenmayr

Roboter können den Menschen heute bereits bei manchen alltäglichen Aufgaben unterstützen. Doch unbekannte Umgebungen oder auch kleine Abweichungen in den Aufgaben, auf die sie trainiert sind, überfordern sie. Damit sie rascher lernen, sich auf Neues einzustellen, entwickeln die Forschungsgruppen von Michael Mühlebach und Jörg Stückler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Tübingen neue Trainingsmethoden für die Maschinen. Ihre Roboter müssen sich dabei auch im Pingpong oder Bodyflying bewähren.*

Anspruch und nicht Wirklichkeit: Bis Roboter so geschmeidig wie Menschen tanzen und dabei auch Bewegungen improvisieren können wie auf diesem mit KI erstellten Foto, wird es noch eine Weile dauern. Ihnen eine Art Körpergefühl zu vermitteln, ist ein Schritt in diese Richtung

Intelligent handelnde Roboter waren schon ein Technikmythos, ehe es Maschinen gab, die diese Bezeichnung auch nur annähernd verdienten. Doch was können Roboter heute wirklich? Wie weit sind sie noch von Science-Fiction-Ikonen wie dem amüsant menschelnden C-3PO aus Star Wars entfernt? Bei der Suche auf Youtube landet man schnell bei einem Video der US-amerikanischen Roboterfirma Boston Dynamics. Darin verblüfft der humanoide Roboter Atlas mit Saltos, er rennt und hüpft mit einem Zwillingsbruder über einen anspruchsvollen Trainingsparcours oder unterstützt einen Menschen auf einem Baugerüst (Links zu Videos im Anhang; Anm. Redn.). Doch so beeindruckend leichtfüßig und fast unheimlich menschenähnlich sich diese Roboter auch bewegen können: Sie tun dies in einer vertrauten Umgebung, auf die sie trainiert worden sind. Wozu Atlas und Konsorten tatsächlich fähig wären, wenn sie sich in einem für sie komplett neuen Umfeld orientieren und selbstständig handeln müssten, das erfährt man nicht – Firmengeheimnis.

Joachim Hertzberg, wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz und Professor an der Universität Osnabrück, ist beeindruckt von der komplexen Bewegungsfähigkeit der Roboter von Boston Dynamics. Doch er wendet auch gleich ein: Würde man einem heutigen Roboter den Befehl geben, in einer ihm unbekannten Umgebung einen Auftrag selbstständig und planvoll auszuführen, und sei es nur, einen Kaffee zu holen, sähe das Resultat deutlich weniger spektakulär aus. „Das Gebiet heißt zwar künstliche Intelligenz, aber es kommt auf Intelligenz an, die wir selber für völlig unintelligent halten“, sagt Hertzberg, „also die Fähigkeit, sich in einer Umgebung vernünftig zurechtzufinden, Aufgaben zum ersten Mal zu machen, ohne sie zuvor geübt zu haben, situations- und zielangemessen zu handeln.“

Flexible Algorithmen

Einen Schritt hin zu Robotern, die auch in unbekannten Umgebungen und bei neuen Aufgaben die Orientierung behalten, machen Maschinen, die permanent lernen – und das möglichst schnell. An solchen Systemen arbeiten zwei Teams am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Tübingen. Anders als Unternehmen oder anwendungsorientierte Forschungseinrichtungen reduzieren die Forschenden die Komplexität der Aufgaben, die ihre Maschinen bewältigen müssen, um diesen zunächst elementare Aspekte der Orientierung beizubringen. Michael Mühlebachs Gruppe beschäftigt sich mit der Frage, wie Roboter durch Vorwissen über ihre eigenen physikalischen Eigenschaften, vermenschlicht ausgedrückt, eine Art Körpergefühl trainieren können. Denn dieses brauchen sie, um sich in einer unbekannten Umgebung bewegen und Befehle präzise ausführen zu können. Darum geht es auch in Jörg Stücklers Gruppe, die daran arbeitet, Robotern das Sehen beizubringen. Zum Sehen gehört, dass Roboter lernen, Objekte – ruhend und bewegt – in beliebiger Umgebung zu erkennen. Das Erkennen beschränkt sich hier allerdings auf rein physikalische Eigenschaften der Objekte, etwa ihre Größe, Form und Farbe, was allein schon eine gewaltige Herausforderung ist.

Ein permanent lernender Algorithmus steckt etwa im Tischtennisroboter Pamy, dessen Hardware weitgehend die Gruppe von Dieter Büchler am Tübinger Max-Planck-Institut entwickelt hat. Auf Veränderungen im Spiel muss Pamy nämlich flexibel reagieren. Einstweilen trainiert der einarmige Roboter mit einer Ballmaschine, um die künftige Flugbahn eines Balls richtig einschätzen zu lernen. Das Experiment befindet sich in einem Labor, in das Michael Mühlebach führt. Dort empfängt uns sein Doktorand Hao Ma in einer Geräuschkulisse, als wären wir im Trainingscamp einer Luftpumpenmannschaft gelandet.

Hao Ma muss angesichts des verblüfft dreinschauenden Gasts grinsen und deutet auf einen abgesperrten Bereich. Dort vollführt ein einzelner Roboterarm – Pamy ist einarmig – auf einer Art Podest mit einem Pingpong-Schläger laut schnaufend wilde Trockenübungen ohne Ball. Abbildung. Zwei Aluminiumrohre, verbunden mit Kunststoffgelenken, bilden Ober- und Unterarm, die Hand besteht aus einem Gelenk mit festgeschraubtem Schläger. Zu den Gelenken führen Luftschläuche, die unten im Podest an eine Batterie von Pneumatikzylindern angeschlossen sind. In den transparenten Zylindern sieht man Kolben auf und ab stampfen. Sie drücken Luft in die pneumatisch angetriebenen Gelenke hinein oder saugen sie ab und bewegen so den Arm.

Anspruch und nicht Wirklichkeit: Bis Roboter so geschmeidig wie Menschen tanzen und dabei auch Bewegungen improvisieren können wie auf diesem mit KI erstellten Foto, wird es noch eine Weile dauern. Ihnen eine Art Körpergefühl zu vermitteln, ist ein Schritt in diese Richtung. (Foto: Wolfram Scheible für MPG. © 2023, MPG)

Solche luftdruckbetriebenen Muskeln erlauben eine sehr leichte Bauweise ohne Elektromotoren an den Gelenken, weshalb ein Roboterarm schnelle Bewegungen ausführen kann. Diese Konstruktion hat allerdings einen Nachteil: Der Arm federt sichtlich nach. Dieses elastische Verhalten muss die Steuerung genau kennen, um einen Tischtennisball präzise retournieren zu können. Das dafür nötige Körpergefühl erlernt Pamy gerade durch das Luft-Pingpong mithilfe von Kameras, Winkel- und Drucksensoren, die seine Bewegungen live verfolgen. Bei diesem Lernprozess kommt ein zentraler Forschungsansatz von Mühlebachs Team ins Spiel. Damit die Steuerung des Arms nicht mühsam bei null beginnen muss, wenn sie dessen Eigenschaften erlernt, hat das Team Pamy bereits mit einem einfachen physikalischen Modell programmiert. Es repräsentiert den Arm mit ideal steifen Stäben und idealisierten Gelenken. „Schwierig zu beschreiben ist aber das Verhalten der ,Muskeln‘ aus den Plastikbehältern, die sich mit Luft füllen“, erklärt Mühlebach: „Dafür setze ich maschinelles Lernen ein.“ Der dafür verwendete Algorithmus nutzt Kameraaufnahmen nur noch, um das Nachfedern der pneumatischen Bewegungen zu erlernen. Das spart viel Rechenzeit. Ohne das Vorwissen durch das physikalische Modell würde Pamy sechzehn Stunden benötigen, um eine Art Körpergefühl erlernen, sagt Mühlebach. „Mit dem Modell kriegen wir das in ungefähr einer Stunde hin.“ Roboterlernen durch physikalisches Vorwissen zu beschleunigen, ist dabei eine zentrale Strategie in Mühlebachs und Stücklers Forschung. Ma führt im Labor an eine Tischtennisplatte. Dort darf nun das Vorgängermodell des Roboterarms, der noch mit Luft-Pingpong beschäftigt ist, zeigen, was es kann. Eine drehbare Ballmaschine schießt einen Tischtennisball über die Platte, der springt in Pamys Feld einmal auf, ehe die Maschine ihn sauber zurückschlägt. Sie tut dies beeindruckend zuverlässig mit jedem neuen Ball. Ma zeigt auf vier Kameras, die oben über dem Tisch befestigt sind. Sie verfolgen die Bahn der leuchtend orangefarbenen Bälle. Ein Algorithmus hat inzwischen gelernt, die künftige Flugbahn eines Balls aus der bisherigen Bahnkurve so genau vorherzusagen, dass der Roboterarm wie ein geübter menschlicher Spieler reagiert und richtig trifft.

„In einer neuen Version der Ballvorhersage haben wir auch einbezogen, wie der Ball abgeschossen wird“, sagt Jörg Stückler. Das wäre bei einem menschlichen Gegner zwar ungleich schwieriger, doch die Erfahrung mit der Ballmaschine zeigt, wie das im Prinzip gehen könnte. Pamy kann nämlich auch auf Vorwissen über die Ballmaschine zurückgreifen. Das hat Jan Achterhold, Doktorand in Jörg Stücklers Team, dem Roboter beigebracht. Das entsprechende Modell berücksichtigt sogar, dass diese Maschine dem Ball einen Spin geben kann. Dadurch wird der Ball nach dem Aufsetzen im Feld des Roboterarms seitlich abgelenkt. Darauf muss Pamy sofort reagieren, was für den Roboter eine große Herausforderung ist.

Härtetest Bodyflying

Als Modell der Ballmaschine verwendeten Achterhold und Stückler dabei ein Grey-Box-Modell. Stückler erklärt, dies sei ein Zwischending zwischen einem Blackund einem White-Box-Modell. Das Black-Box-Modell steht für Maschinenlernen ohne jegliches Vorwissen, also mühsames Ausprobieren. Ein White-Box-Modell wäre das Gegenteil: ein unveränderlich programmiertes physikalisches Modell, das nicht lernfähig ist. In einer einfachen, mechanisch idealen Welt würde das auch funktionieren, denn der Ablauf inklusive Flugbahn ließe sich exakt berechnen. Doch bei einer echten Ballmaschine treten immer Effekte auf, an denen das unflexible White-Box-Modell scheitern würde. Das Team um Achterhold setzt daher auf ein physikalisch vorgebildetes Maschinenlernen. Zu diesem Zweck entwarfen die Forschenden zunächst ein physikalisches Modell und kombinierten es mit einem ausgefeilten Lernalgorithmus, der das System befähigt, die realen Eigenschaften der Ballmaschine zu erlernen. Das Team nutzte also die Vorteile des Black- und des White-Box-Ansatzes. „Deshalb wird der Ansatz Grey Box genannt“, erklärt Stückler. Im Gespräch mit den Roboterforschern wird immer wieder deutlich, welche Herausforderungen scheinbar simple Aktionen, die wir Menschen unbewusst und selbstverständlich ausführen, für die Robotik darstellen. Dabei will Michael Mühlebach es wirklich wissen. „Ich bin fasziniert vom Bodyflying, von der Akrobatik, den Drehungen und Kunststücken“, sagt er lachend: „Und da dachte ich: Es wäre doch super, das mit Robotern zu machen!“ Beim Bodyflying, auch Indoor Skydiving genannt, schweben Menschen im starken Luftstrom eines senkrecht nach oben gerichteten Windkanals. Wie beim Fallschirmsprung müssen sie lernen, wie sie ihr Flugverhalten auf dem Luftpolster durch Veränderungen ihrer Körperhaltung und damit der Aerodynamik gezielt steuern können.

Das soll in Tübingen nun ein leichter Flugroboter, kaum größer als eine Hand, über einem Miniwindkanal erlernen. Doktorand Ghadeer Elmkaiel tüftelt in seinem Labor gerade an dem selbst entwickelten Windkanal, der mit sechs kreisförmig angeordneten Propellern einen möglichst gleichmäßigen Luftstrom erzielen soll. Über der öffnung des Windkanals befindet sich eine Haltevorrichtung für den kleinen Flieger. Beim Training löst sich der Roboter davon und versucht, ohne Verbindung zu einem Computer zu schweben. Dabei soll er nach und nach vorgegebene Flugfiguren erlernen. Noch ist es nicht so weit, aber auch hier soll das Vorwissen eines einfachen physikalischen Modells den Lernprozess des Flugroboters beschleunigen.

Was Mühlebachs Team bei dem Härtetest der Orientierungsfähigkeit von Robotern lernt, könnte auch in ganz anderen Bereichen Anwendung finden – etwa bei intelligenten Stromnetzen. Sie sollen die Stromproduktion und -verteilung möglichst gut an den jeweiligen Bedarf anpassen. Das wird beim Ausbau dezentraler Windkraftund Solaranlagen, deren Stromproduktion zudem vom Wetter abhängt, immer wichtiger und anspruchsvoller. In einem solchen Netzwerk gibt es ebenfalls Elemente, die sich gut durch physikalische Modelle beschreiben lassen, und solche, deren Verhalten nur durch Lernerfahrung vorhersagbar wird. In die erste Kategorie fallen etwa Großkraftwerke, deren Stromproduktion sich physikalisch gut modellieren lässt. Der Strommarkt und das Verhalten der Endverbraucher hingegen sind erst durch Erfahrung, zum Beispiel über Jahreszeiten, vorhersagbar. „Dort gibt es ein Riesenpotenzial für maschinelles Lernen“, sagt Mühlebach. Doch zurück zur Orientierung. Jörg Stücklers Gruppe arbeitet zum Beispiel an der Weiterentwicklung einer Technik, welche Kameradaten kombiniert mit den Daten von Beschleunigungssensoren, wie sie auch in Smartphones eingebaut sind. Die Beschleunigungssensoren geben einem Roboter sozusagen einen Gleichgewichtssinn, erklärt Stückler. Durch die Kombination mit Kameradaten soll der Roboter ein Wissen darüber entwickeln, wie sein realer Körper auf einen Befehl reagiert. Soll er zum Beispiel losfahren, braucht er ein Gefühl dafür, dass er seine Masse zunächst auf die vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigen muss. Dieses Körpergefühl entwickelt der Roboter viel schneller, wenn er mit einem einfachen physikalischen Modell von sich programmiert wurde.

Wenn ein Roboter mit Gegenständen hantieren soll, braucht er nicht nur ein gutes Gefühl für seine eigenen Bewegungen, er braucht auch eine Vorstellung von den Objekten und ihren Eigenschaften. Dass er diese allein durch Beobachtungen erkennen kann, ist das Ziel von Doktorand Michael Strecke. Da die Kameradaten verrauscht, also unscharf sind, lässt sich aus ihnen nicht einfach die Form oder die Größe eines Objekts herauslesen. Beobachtet der Roboter allerdings, wie eine immer wieder geworfene Kugel gegen eine Wand dotzt, zurückprallt und zu Boden fällt, lernt er trotzdem etwas über die Eigenschaften der Kugel. Er begreift allmählich, wie groß die Kugel ist und dass sie daher auf eine bestimmte Weise zurückprallt. So lernt er allein durch die Anschauung einzuschätzen, wie sich ein solches Objekt voraussichtlich verhalten wird.

Grundsätzlich lässt sich also aus dem reinen Beobachten des mechanischen Kontakts eines Objekts mit einem anderen auf deren Eigenschaften schließen. Kleinkinder lernen auf diese Weise, wenn sie Gegenstände herumschmeißen und diese beobachten. Wenn Computer sehen, funktionierte diese Kontaktmethode bislang nur für steife Objekte und auch nur für solche mit sehr einfacher Geometrie. Strecke und Stückler ist es jetzt mit einer neuen Optimierungsmethode gelungen, auch das maschinelle Erlernen komplexerer Formen voranzubringen. Sie veranschaulichen dies mit einem etwas absurden Beispiel: Eine Maschine beobachtet ein Objekt, das auf ein anderes fällt, und hält es zunächst für eine Kuh. Im Laufe mehrerer Zusammenstöße der beiden Objekte verwandelt sich die Kuh in der Maschinenwahrnehmung allmählich in eine Art „Badeentenschwimmring“, der wie bei einem Wurfringspiel mit seinem Loch in der Mitte auf einen Stab fällt. Was weit hergeholt erscheint, entspricht einer Situation, in der auch Menschen sich erst einmal völlig neu orientieren müssen. Roboter stehen hier noch ganz am Anfang, sozusagen im Stadium eines Kleinkinds, für das jedes Objekt in seiner Umwelt ganz neu ist. Mit ihren neuen Trainingsmethoden wollen Jörg Stückler und Michael Mühlebach den Maschinen helfen, sich in unbekannten Situationen schneller zu orientieren. Doch der Weg bis zu einem C-3PO, der sich in einem Star-Wars-Abenteuer bei seinem Begleiter R2-D2 beschwert, dass sie schon wieder in ein Schlamassel geraten seien, dürfte noch recht weit sein.

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* Der kürzlich im Forschungsmagazin 3/2023 der Max-Planck Gesellschaft unter dem Titel "Roboter entdecken die Welt" erschienene Artikel https://www.mpg.de/20899916/MPF_2023_3.pdf wird - mit Ausnahme des Titels in praktisch unveränderter Form im ScienceBlog wiedergegeben. Die MPG-Pressestelle hat freundlicherweise der Veröffentlichung von Artikeln aus dem Forschungsmagazin auf unserer Seite zugestimmt. (© 2023, Max-Planck-Gesellschaft)

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Videos zu Boston Dynamics

Blue Light Technology: Boston Dynamics' Atlas Bot SHOCKS Investors (2023). Video 8:37 min. https://www.youtube.com/watch?v=QKUosKzUCf8

Boston Dynamics: Do You Love Me? (2021). Video 2:54 min. https://www.youtube.com/watch?v=fn3KWM1kuAw&t=138s

Atlas Gets a Grip | Boston Dynamics (2023). Video 1:20 min. https://www.youtube.com/watch?v=-e1_QhJ1EhQ

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Ähnliche Inhalte im ScienceBlog:

Paul Rainey, 02.11.2023: Können Mensch und Künstliche Intelligenz zu einer symbiotischen Einheit werden?

Inge Schuster, 12.12.2019: Transhumanismus - der Mensch steuert selbst seine Evolution

Georg Martius, 09.08.2018: Roboter mit eigenem Tatendrang

Francis S. Collins, 26.04.2018: Deep Learning: Wie man Computern beibringt, das Unsichtbare in lebenden Zellen zu "sehen".

Ilse Kryspin-Exner, 31.01.2013: Assistive Technologien als Unterstützung von Aktivem Altern.

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Fr, 24.11.2023 — IIASA

Der Sektor Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft spielt eine wesentliche Rolle bei der Erreichung der globalen Klimaziele - allerdings klafft eine beträchtliche Lücke darin, wie in diesem Sektor die Emissionen durch globale wissenschaftsbasierte Modellierungen abgeschätzt werden und in welcher Weise die Staaten diese berichten. In einer neuen Studie zeigt ein u.a. am Internationalen Institut für Angewandte Systemanalyse (IIASA, Laxenburg bei Wien) arbeitendes Forscherteam auf, wie sich die Benchmarks für die Minderung der Emissionen ändern, wenn die Szenarien des Weltklimarats (IPCC) aus der Perspektive der nationalen Bestandsanalysen bewertet werden; demnach sollten die Netto-Null-Ziele bis zu fünf Jahre früher erreicht werden, und die kumulativen Emissionen bis zum Netto-Null-Ziel um 15 bis 18 % weniger betragen.*

Eine effektive Landnutzung, sei es für Landwirtschaft, Wälder oder Siedlungen, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung des Klimawandels und bei der Erreichung künftiger Klimaziele. Strategien zur Abschwächung des Klimawandels im Bereich der Landnutzung sehen den Stopp der Entwaldung und eine bessere Waldbewirtschaftung vor. Den Staaten ist die Bedeutung des Sektors Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft (Land use, land use change and forestry: LULUCF) bewusst. 118 von 143 Staaten haben die Reduzierung der durch Landnutzung entstehenden Emissionen und deren Entfernung aus der Atmosphäre in ihre national festgelegten Verpflichtungen (Nationally Determined Contributions - NDCs) aufgenommen; diese NDCs sind das Herzstück des Pariser Abkommens zur Erreichung der langfristigen Klimaziele.

Unterschiedliche Schätzungen der Land-basierten Emissionen

Wie eine neue, im Fachjournal Nature veröffentlichte Studie zeigt, differieren die Schätzungen der von Landnutzung ausgehenden aktuellen Emissionen, wie sie auf Grund wissenschaftsbasierter Untersuchungen (Modellen der IPCC-Sachstandsberichte) erhoben werden und wie sie Staaten in nationalen Treibhausgasbilanzen (Treibhausgasinventaren) berichten [1]. Der Grund liegt darin, dass unterschiedlich definiert wird, was als "bewirtschaftetes" Land und was als vom Menschen durch Landnutzung verursachte (anthropogene) und aus der Atmosphäre entfernte Emissionen angesehen wird; die Studie zeigt auch, wie sich die globalen Benchmarks der Emissionsminderung ändern, wenn mit den wissenschaftlichen Klimamodellen die LULUCF-Flüsse aus der Perspektive der nationalen Treibhausgasbilanzen abgeschätzt werden. Um Fortschritte im Pariser Klimaabkommen zu bewerten, ist es nach Ansicht des Forscherteams notwendig Gleiches mit Gleichem zu vergleichen - dabei müssen die Staaten ehrgeizigere Klimaschutzmaßnahmen ergreifen, wenn sie ihre nationalen Ausgangspunkte mit globalen Modellen vergleichen.

"Die Staaten schätzen ihre LULUCF-Flüsse (Emissionen und Entnahme aus der Atmosphäre) auf unterschiedliche Weise. Direkte Flüsse sind das Ergebnis direkter menschlicher Eingriffe, wie beispielsweise in der Landwirtschaft oder der Holzernte. Die Modelle in den Bewertungsberichten des Weltklimarates (IPCC) verwenden diesen Bilanzierungsansatz, um das verbleibende Kohlenstoffbudget und den Zeitplan für das Erreichen von Netto-Null-Emissionen zu bestimmen. Indirekte Flüsse sind die Reaktion des Bodens auf indirekte, vom Menschen verursachte Umweltveränderungen, wie z. B. die Zunahme des atmosphärischen CO2 oder die Stickstoffablagerung, die beide die Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphäre erhöhen", erklärt Giacomo Grassi, ein Mitautor der Studie und Forscher am Joint Research Centre der Europäischen Kommission.

Grassi weist darauf hin, dass es praktisch nicht möglich ist, direkte und indirekte Flüsse durch Beobachtungen wie nationalen Waldinventaren oder Fernerkundungen voneinander zu separieren. Daher folgen die nationalen Methoden zur Treibhausgasinventarisierung Normen, die anthropogene Flüsse anhand eines landbasierten Ansatzes definieren, wobei alle auf bewirtschafteten Flächen auftretenden Flüsse als anthropogen gelten. Im Gegensatz dazu werden die Treibhausgasflüsse auf unbewirtschafteten Flächen nicht in die Berichterstattung einbezogen. Abbildung.

Eine Lücke von 4 - 7 Gigatonnen CO₂

Weltweit ergibt sich zwischen den Berechnungsmodellen und den Treibhausgasbilanzen der Länder ein Unterschied von etwa 4 - 7 Gigatonnen CO₂ oder rund 10 % der heutigen Treibhausgasemissionen, allerdings variiert dieser Unterschied von Land zu Land.

Abbildung. Flüsse aus Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft (LULUCF): Anpassung von konventionellen wissenschaftlichen Modellen und nationalen Treibhausgasbilanzen. Abweichungen ergeben sich aus den Unterschieden, welche Flächen als bewirtschaftet gelten und ob Flüsse im Zusammenhang mit Umwelt- und Klimaveränderungen einbezogen werden.NGHGI: nationales Treibhausgasinventar [2].(Bild modifiziert aus Gidden et al., [1], Lizenz cc-by)

Die Forscher haben die wichtigsten Klimaschutz-Benchmarks anhand des Bestandsaufnahme-basierten LULUCF-Ansatzes bewertet. Sie sind zu dem Ergebnis gelangt, dass  zur Erreichung des langfristigen Temperaturziels des Pariser Abkommens von 1,5 °C die Netto-Null-Emissionen ein bis fünf Jahre früher als bisher angenommen erreicht werden müssen, die Emissionssenkungen bis 2030 um 3,5 bis 6 % stärker ausfallen und die kumulativen CO₂-Emissionen um 55 bis 95 Gt CO₂ geringer sein müssen. Das Forscherteam betont, dass die Ergebnisse nicht im Widerspruch zu den vom IPCC festgelegten Benchmarks stehen, sondern die gleichen Arten von Benchmarks mit einem Bestandsaufnahme-basierten Ansatz bewertet werden.

"Um die globale Temperaturreaktion auf anthropogene Emissionen zu berechnen, verwenden die IPCC-Sachstandsberichte direkte, landbasierte Emissionen als Input und beziehen die indirekten Emissionen aufgrund von Klima- und Umweltreaktionen in ihre physikalische Klimaemulation ein. In unserer Analyse machen wir deutlich, dass wir diese beiden Arten von Emissionen getrennt betrachten. Das Klimaergebnis jedes der von uns bewerteten Szenarien bleibt dasselbe, aber die Benchmarks - betrachtet durch die Linse der nationalen Konventionen zur Bilanzierung von Treibhausgasinventaren - verschieben sich. Ohne Anpassungen könnten die Länder in einer günstigeren Lage erscheinen, als sie tatsächlich sind", erklärt Thomas Gasser, Mitautor der Studie und leitender Forscher in den beiden IIASA-Programmen Advancing Systems Analysis und Energy, Climate, and Environment.

"Unsere Ergebnisse zeigen die Gefahr auf, Äpfel mit Birnen zu vergleichen: Um das Pariser Abkommen zu erreichen, ist es entscheidend, dass die Länder das korrekte Ziel anstreben. Wenn Länder bei nationaler Bilanzierung modellbasierte Benchmarks anstreben, werden sie das Ziel verfehlen", sagt Matthew Gidden, Studienautor und leitender Forscher im IIASA-Programm Energy, Climate, and Environment.

Im Vorfeld der UN-Klimakonferenz COP28

(die vom 30. November - 12 Dezember 2023 in Dubai stattfindet) und der ersten globalen Bestandsaufnahme - ein Prozess, der es den Ländern und anderen Interessengruppen ermöglicht zu sehen, wo sie gemeinsam Fortschritte bei der Erfüllung der Ziele des Pariser Abkommens machen und wo nicht - drängen die Forscher auf detailliertere nationale Klimaziele. Sie empfehlen separate Ziele für den Klimaschutz an Land, getrennt von Maßnahmen in anderen Sektoren.

"Länder können Klarheit über ihre Klimaziele schaffen, indem sie ihre geplante Nutzung des LULUCF-Sektors getrennt von Emissionsreduktionen in anderen Sektoren kommunizieren. Während Modellierer und Praktiker zusammenkommen können, um die Vergleichbarkeit zwischen den globalen Pfaden und den nationalen Bilanzierungen zu verbessern, ist es wichtig die Botschaft, dass in diesem Jahrzehnt erhebliche Minderungsanstrengungen erforderlich sind, nicht in den Details der technischen Berichterstattung untergehen zu lassen", schließt Gidden.

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[1] Gidden, M., Gasser, T., Grassi, G., Forsell, N., Janssens, I., Lamb, W., Minx, J., Nicholls Z., Steinhauser, J., Riahi, K. (2023). Aligning climate scenarios to emissions inventories shifts global benchmarks. Nature DOI: 10.1038/s41586-023-06724-y

[2] FAO elearning academy: The national greenhouse gas inventory (NGHGI) for land use. https://elearning.fao.org/course/view.php?id=650

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 *Die Presseaussendung "Mind the gap: caution needed when assessing land emissions in the COP28 Global Stocktake" https://iiasa.ac.at/news/nov-2023/mind-gap-caution-needed-when-assessing-land-emissions-in-cop28-global-stocktake ist am 22. November 2023 auf der IIASA Website erschienen. Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und mit Untertiteln ergänzt. IIASA hat freundlicherweise der Veröffentlichung der von uns übersetzten Inhalte seiner Website und Presseaussendungen in unserem Blog zugestimmt.

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Fr 17.11.2023 — Ricki Lewis

Tausende Erkrankungen werden durch schadhafte Gene ausgelöst. Bereits vor Jahrzehnten gab es erste Ansätze, um diese Gene durch Gentherapie - reparierte Gene oder intaktes genetisches Material - auszutauschen; man erwartete damit viele der zumeist ererbten Krankheiten nicht nur behandeln, sondern auch wirklich heilen zu können. Obwohl enorme Anstrengungen zur Umsetzung dieser Strategie gemacht und mehrere Tausende klinische Studien dazu durchgeführt wurden, ist der Erfolg bescheiden - von der FDA wurden bislang 6 gentherapeutische Produkte zugelassen - und immer wieder von Rückschlägen bedroht geblieben. Über enttäuschte Hoffnungen und den jüngsten Rückschlag bei einer Gentherapie von Duchenne Muskledystrophie berichtet die Genetikerin Ricki Lewis.*

Im letzten Kapitel meines 2012 erschienenen Buches The Forever Fix: Gene Therapy and the Boy Who Saved It, habe ich prophezeit, dass sich diese Technologie bald weit über die Welt der seltenen Krankheiten hinaus ausbreiten würde. (Anm. Redn.: von einer seltenen Krankheit sind weniger al 0,5 Promille der Bevölkerung betroffen.)

Ich war zu optimistisch. Es hat sich herausgestellt, dass die Gentherapie keinen großen Einfluss auf die Gesundheitsversorgung hatte, da sie nur einigen wenigen Menschen mit seltenen Krankheiten extrem teure Behandlungen offeriert. Wir sind immer noch dabei zu lernen, welche Folgen es haben kann, wenn Millionen von veränderten Viren in einen menschlichen Körper eingeschleust werden. Können sie heilende Gene liefern, ohne eine überschießende Immunreaktion auszulösen?

Ein Bericht im New England Journal of Medicine vom 28. September 2023 beschreibt einen jungen Mann mit Duchenne-Muskeldystrophie (DMD), der nur wenige Tage nach einer Gentherapie starb [1]. Die Einzelheiten erinnern in beunruhigender Weise an den berühmten Fall von Jesse Gelsinger, der im September 1999 an einer überschießenden Immunantwort auf eine experimentelle Gentherapie starb.

Jesse war 19 Jahre alt und litt an einer Defekt im Harnstoffzyklus (Ornithintranscarbamylase-Defizienz). Er wurde an einem Montag behandelt und starb am Freitag infolge eines Multiorganversagens. Die Viren, mit denen die Gene übertragen wurden, hatten ihr Ziel verfehlt und drangen in nicht dafür vorgesehene Zelltypen der Leber ein, was den Alarm der Immunabwehr auslöste.

Es gibt erst wenige Gentherapie-Zulassungen

Auch wenn bereits einige hundert Menschen dem Ende 2017 zugelassenen Luxturna das Sehvermögen verdanken, ist die Liste der Gentherapien, die die Hürden der FDA nehmen konnten, noch kurz geblieben. Zu den enorm hohen Kosten und den kleinen Märkten kommt dazu, dass man die Reaktionen der Patienten nicht vorhersehen konnte.  Man braucht ein besseres Verfahren, um Patienten zu identifizieren, die am ehesten auf eine bestimmte Behandlung ansprechen.

Denken wir an Zolgensma, eine Gentherapie, die 2019 zur Behandlung der spinalen Muskelatrophie zugelassen wurde. Betroffene Kinder überleben selten das Säuglingsalter. Deshalb waren die Videos eines kleinen Mädchens namens Evelyn, das nach der Behandlung mit Zolgensma tanzte, so erstaunlich - ihre Schwester war an der Krankheit gestorben. Ein aktuellerer Fall war ein Säugling, der 2021 die 2,25 Millionen Dollar teure einmalige Anwendung von Zolgensma erhielt und im Alter von acht Monaten nur in der Lage war, seinen Kopf für ein paar Sekunden zu heben.

Die FDA hat 6 Gentherapien zugelassen - begraben in einer Liste von 32 zugelassenen Produkten von Zell-und Gentherapien [2]. Gentherapien und Zelltherapien in einen Topf zu werfen, ist nicht sehr hilfreich - bei den zellbasierten Produkten handelt es sich meist um manipulierte T-Zellen zur Behandlung von Krebs. Darunter sind zwei interessante Produkte sind eine Behandlung für Knieschmerzen, die aus Knorpelzellen eines Patienten besteht, die auf Schweinekollagen gezüchtet werden, und 18 Millionen eigene Fibroblasten, die unter die Haut injiziert werden, um "Nasolabialfalten" aufzufüllen.

Die zugelassenen Gentherapien sind bestimmt für:

• die Gerinnungsstörungen Hämophilie A und B
• die schwere Form der Hautablösung, dystrophische Epidermolysis bullosa
• Netzhautblindheit
• Spinale Muskelatrophie
• Duchenne Muskeldystrophie (DMD)

Die Gentherapie zur Behandlung von DMD ist allerdings nur fürJungen im Alter von 4 bis 5 Jahren vorgesehen, die noch gehen können. In der Packungsbeilage des Medikaments, Elevidys, wird vor unerwünschten Nebenwirkungen wie akuten Leberschäden und Entzündungen im Bereich des Herzens und der Muskeln gewarnt. Lungenschäden, die zu dem jüngsten Todesfall geführt haben, werden nicht erwähnt.

Ein riesengroßes Gen einschleusen

Der 27-Jährige Mann mit DMD hatte von seiner Mutter eine Mutation in einem Gen auf dem X-Chromosom geerbt.

Bei dem betroffenen Gen handelt es sich um das mit 2,2 Millionen DNA-Basen größte im menschlichen Genom. Es kodiert für das Protein Dystrophin, das im Vergleich zu den Aktin- und Myosin-Filamenten, aus denen die Muskelmasse besteht, in verschwindend geringer Menge vorhanden ist, aber als essentielle Stütze fungiert (Abbildung).

Abbildung. In Muskelzellen ist Dystrophin das Bindeglied zwischen den kontraktilen Actinfasern und der Zellmembran (Sarcolemma), die wiederum über einen Proteinkomplex an das umgebende Bindegewebe (extrazelluläre Matrix) gekoppelt ist (oben). Fehlt Dystrophin, so verliert die Muskelzelle ihre Stabilität, die Membran bekommt Risse, Calcium strömt permanent ein (unten) und dies führt zur Dauerkontraktion.(Bild von Redn. eingefügt: Screenshots aus open.osmosis.org,Duchenne and Beckermuscular dystrophy [3]; Lizenz CC-BY-SA)

Wird die Fähigkeit, Dystrophin zu bilden zerstört, wie es bei DMD der Fall ist, so fallen Skelett- und Herzmuskelfasern auseinander. Die Muskeln hören zu arbeiten auf. Den betroffenen Personen fehlen Teile des Gens oder das gesamte Gen.

Die DMD-Gentherapie liefert eine verkürzte Version des Dystrophin-Gens, nur 4.558 DNA-Basen. Zwei weitere Design-Strategien sorgen für Präzision:

i) Das Adeno-assoziierte Virus (AAV) ist Vektor für das Gen und nicht das Adenovirus (AV), das in Jesses Leberzellen eingedrungen war, die nicht das Ziel waren. Seit dem tragischen Fall von Jesse ist die Verwendung von AV in der Gentherapie eingeschränkt worden und AAV wird häufiger als Übertragungsvektor verwendet.

ii) Die zweite Veränderung ist wichtiger: Anstatt Kopien eines funktionierenden Gens hinzuzufügen, wie es in der Gentherapie zur Zeit, als ich mein Buch schrieb, der Fall war, ermöglicht nun das CRISPR-Geneditieren, eine Mutation tatsächlich zu korrigieren. Dieser Ansatz wird als maßgeschneiderte CRISPR-Transaktivator-Therapie bezeichnet. Sie heißt "maßgeschneidert", weil sie entwickelt wurde, um eine definierte Mutation zu verändern, mit dem Ziel auf eine ausreichende Anzahl der Millionen von Muskelzellen des Körpers einzuwirken, um die Beweglichkeit zu verbessern - und sei es nur ein bisschen.

Der Ansatz baute auf einer Besonderheit des Patienten auf. Auch wenn seinen Skelettmuskelzellen das riesige Dystrophin-Gen völlig fehlte, hatten bestimmte Gehirnneuronen den Anfang der DNA-Sequenz des Gens (den Promotor und Exon 1) beibehalten. Also designten die Forscher das CRISPR-Werkzeug in der Weise, um die Skelettmuskelzellen des Mannes dazu zu bringen, eine kurze Version des benötigten Proteins zu produzieren, hoffentlich in ausreichender Menge, um etwas Funktion zu gewährleisten. In Zellkulturen und in vivo in Mäusen hatte dies mit menschlichen DMD-Genen funktioniert.

Eine rasche Verschlechterung

Ein Spezialistenteam wählte den Patienten für die maßgeschneiderte klinische Studie aus, da sich sein Zustand rasch verschlechterte und es keine anderen Behandlungsmöglichkeiten mehr gab.

Im Vorfeld des Eingriffs erfolgten zahlreiche Tests. Der Mann hatte weder Antikörper gegen das zu verwendende Virus - AAV9 - noch wies er Anzeichen einer der Virusinfektionen auf, wie sie Transplantatempfänger befallen. Die kardialen Marker waren in Ordnung. Um auf Nummer sicher zu gehen, erhielt er eine immunsuppressive Therapie.

Anscheinend war es aber der Immunreaktion egal, wie gut die heilenden Viren designt waren oder wie viele Vorsichtsmaßnahmen getroffen worden waren.

Der Patient wurde am 4. Oktober 2022 behandelt. Und dann ging alles ganz schnell.

Einen Tag nach der Gentherapie bekam der Patient Extrasystolen. Am zweiten Tag sank die Zahl der Blutplättchen. Am dritten Tag zeigten Biomarker an, dass sein Herz zu versagen begann.

Am 4. Tag sammelte sich Kohlendioxid in seinem Blut an, und am 5. Tag verschlechterte sich seine Herzfunktion, als sich der Herzbeutel mit Flüssigkeit füllte.

Am 6. Tag kam es zum akuten Atemnotsyndrom (ARDS) und zum Herzstillstand. Er starb 2 Tage später. Trotz der Behandlung jeder einzelnen Krise starb er am 8. Tag an Multiorganversagen und Koma. Die Autopsie ergab, dass die Alveolen - die winzigen Luftsäcke in der Lunge - zerstört waren.

Angeborene versus adaptive Immunität: Zwei Stufen der Verteidigung

Wie zuvor Jesse Gelsinger starb auch der Mann mit DMD zu schnell, als dass der Grund dafür die adaptive Immunantwort sein könnte - die dafür maßgebliche Produktion von B- und T-Zellen dauert normalerweise eine Woche oder länger. Somit war die Schuld der unmittelbareren und generalisierten angeborenen Immunreaktion zuzuschreiben.

Eine Immunreaktion ist zweistufig. Zunächst setzt die angeborene Reaktion unspezifisch wirkende antivirale Biochemikalien wie Zytokine (Interferone und Interleukine) und Proteine -das sogenannte Komplement - frei. Tage später produziert die präzisere adaptive Reaktion der B-Zellen spezifische Antikörper gegen Moleküle auf der Oberfläche des Erregers, während die T-Zellen weitere Zytokine freisetzen und direkt angreifen.

Die Schlussfolgerung: Der Patient erlitt eine angeborene Immunreaktion, die auf die hohe Dosis der Gentherapie zurückzuführen war und ein akutes Atemnotsyndrom verursachte. In seinem Blutserum wimmelte es von Zytokinen, die normalerweise kaum nachweisbar sind, während sein Herz ertrank. Ein Zytokin, Interleukin-6, war um sein Herz herum 100-mal so hoch konzentriert wie im Blut. Da sein Herz und seine Lunge angegriffen wurden, hatte er keine Chance mehr.

Die Autopsie ergab, dass sich AAV9 in der Lunge und der Leber konzentrierte, nicht aber in den Muskeln, dem eigentlichen Ziel. Auch gab es keine Antikörper gegen AAV9. Dieses Bild wies darauf hin, dass der Zeitablauf in dem sich der Zustand des Pateinten verschlechterte und schlussendlich letal endete von der angeborenen und nicht von der adaptiven Immunität herrührten.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass der Mann ein "Zytokin-vermitteltes Kapillarlecksyndrom" erlitt, das am fünften Tag Flüssigkeit in den Herzbereich und in die Lunge schickte und am sechsten Tag ein tödliches ARDS auslöste. "Sowohl die Wirtsfaktoren als auch die inhärenten Eigenschaften des Vektors führten zu unerwartet hohen Konzentrationen von Vektorgenom in der Lunge und könnten zu diesem Ergebnis beigetragen haben", schreiben sie.

Neben dem Trimmen von Genen, einer sorgfältigen Auswahl von viralen Vektoren, massenhaften Tests und sogar dem Einsatz präziserer neuer Instrumente wie CRISPR sind die Eigenschaften des Patienten also nach wie vor von größter Bedeutung. Die Lungen des 27-Jährigen, der an einer Gentherapie seiner Muskeldystrophie starb, waren aus irgendeinem Grund anfällig für eine Infektion durch den viralen Vektor, das normalerweise sichere AAV9.

Vielleicht haben unsere Werkzeuge und Technologien keine Chance gegen die Kräfte der Evolution.

Es ist schwer, eine Milliarde Jahre Evolution in Frage zu stellen

Die überschießende angeborene Immunreaktion, die den Mann mit DMD tötete (und nebenbei für viele COVID-Todesfälle verantwortlich ist), ist der ältere der beiden Zweige der Immunität und geht, auf eine Milliarde Jahre zurück. Wir folgern dies aus dem Umstand, dass sie in allen mehrzelligen Arten - Tieren, Pflanzen und Pilzen - vorkommt. Eine biologische Reaktion, die sich im Laufe der Zeit bewährt hat, hat einen Grund dafür - sie ist vorteilhaft und unterstützt das Überleben.

Und vielleicht ist das eine der Grenzen des Versuchs, mutierte Gene zu ergänzen, zu ersetzen oder zu reparieren. Im Gegensatz dazu ist die adaptive Immunantwort, die Antikörper ausschüttet und Armeen von T-Zellen aussendet, vor weniger als 450 Millionen Jahren entstanden, was sich aus ihrem Vorhandensein nur bei Wirbeltieren ableiten lässt.

Und so ist ironischerweise das Alter der angeborenen Immunantwort vielleicht die größte Hürde, die es zu überwinden gilt, wenn man mit Hilfe der modernen Biotechnologie versucht, unsere Gene therapeutisch zu verändern.

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 [1] Lek A. et al., Death after High-Dose rAAV9 Gene Therapy in a Patient with Duchenne's Muscular Dystrophy. N Engl J Med. 2023 Sep 28;389(13):1203-1210. • DOI: 10.1056/NEJMoa2307798 ..

[2] FDA: Approved Cellular and Gene Therapy Products. https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/cellular-gene-therapy-products/approved-cellular-and-gene-therapy-products

[3] WebM audio/video file, VP9/Opus, DOI: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Duchenne_and_Becker_muscular_dystrophy.webm. Video: 7:18 min. Lizenz cc-by-sa.

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 *Der Artikel ist erstmals am 12. Oktober 2023 in PLOS Blogs - DNA Science Blog unter dem Titel "Is Recent Gene Therapy Setback for Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) Déjà vu All Over Again?" https://dnascience.plos.org/2023/10/12/is-recent-gene-therapy-setback-for-duchenne-muscular-dystrophy-dmd-deja-vu-all-over-again/ erschienen und steht unter einer cc-by Lizenz . Die Autorin hat sich freundlicherweise mit der Übersetzung ihrer Artikel durch ScienceBlog.at einverstanden erklärt. Der ungekürzte Artikel folgt so genau wie möglich der englischen Fassung. Eine Abbildung wurde von der Redaktion eingefügt.

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Artikel über Gentherapie im ScienceBlog

von Ricki Lewis:

• 08.06.2023: Erste topische Gentherapie zur Behandlung der Schmetterlingskrankheit (dystrophe Epidermolysis bullosa) wurde in den USA zugelassen.
• 29.09.2022: Retinitis Pigmentosa: Verbesserung des Sehvermögens durch Gelbwurz, schwarzen Pfeffer und Ingwer.
• 03.10.2019: Gentherapie - ein Update.

 

von anderen Autoren

• Francis S. Collins, 02.02.2017: Finden und Ersetzen: Genchirurgie mittels CRISPR/Cas9 erscheint ein aussichtsreicher Weg zur Gentherapie.
• Francis SCollins, 27.07.2017: Ein weiterer Meilenstein in der Therapie der Cystischen Fibrose.
• Christina Beck, 23.04.2020: Genom Editierung mit CRISPR-Cas9 - was ist jetzt möglich?
• Redaktion, 08.10.2020: Genom Editierung mittels CRISPR-Cas9 Technologie - Nobelpreis für Chemie 2020 an Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna.
• Francis S. Collins, 18.03.2021: Faszinierende Aussichten: Therapie von COVID-19 und Influenza mittels der CRISPR/Cas13a- Genschere.

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Do. 09.011.2023— Arvid Leyh

Bis zu einer Milliarde Euro war die enorme Summe, welche die EU einem einzigen Projekt der Hirnforschung, dem Human Brain Project (HBP), im Jahr 2013 in Aussicht stellte - einem Flagship-Projekt, einem Aushängeschild der europäischen Forschungsleistung, das 10 Jahre andauern sollte. Das Human Brain Project ist nun zu Ende – und bis zum Ende blieb es umstritten. Mit Ablauf seiner Laufzeit ist das Human Brain Project wieder in den Medien. Meist in der Rückschau, doch tatsächlich werden Teile überdauern. Arvid Leyh, Chefredakteur der Plattform www.dasgehirn.info gibt einen Überblick.*

 

 

 

 

 

 

 

Der Vorlauf: grandios!

In der ersten Dekade des 21. Jahrhunderts war die Hirnforschung der unbestrittene Popstar der Wissenschaft. Die funktionelle Magnetresonanztomographie fMRT lieferte permanent neue Bilder von Areal xy, das bei Aufgabe z beteiligt war; das Bewusstsein war zumindest gefühlt kurz davor, auf neuronale Korrelate festgenagelt zu werden; Computerchips nach Vorbild neuronaler Verschaltungen lagen auf diversen Reißbrettern und sollten die Leistung unserer Rechner revolutionieren. Es gab die Neuropädagogik, das Neuromarketing und sogar eine Neurotheologie. Die mediale Omnipräsenz der Hirnforschung machte nicht zuletzt Hoffnung auf wirksame Therapien für die großen psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen, besonders die Demenzen, die – und das ist auch heute noch so – in den kommenden Jahrzehnten zunehmend mehr Menschen betreffen werden. So war es im Grunde nur konsequent, dass neben der EU auch die USA und Japan ihre Big-Brain - Projekte auf den Weg brachten. Nur der Vollständigkeit halber – 2022 hat China eine eigene, wenn auch inhaltlich bislang unscharfe Version gestartet. Budget: 746 Mio. Dollar.

2013 also startete das Human Brain Project unter der Leitung des prominenten Hirnforschers Henry Markram, der bereits mit dem Blue Brain Project in Lausanne die rund 10.000 Neurone eines winzigen Areals aus dem Rattencortex auf einem Supercomputer simuliert hatte. Dass dabei fantastische Bilder entstanden, die regelmäßig für Schlagzeilen sorgten, hat bei der Vergabe bestimmt nicht geschadet. Dass andererseits Markram selbst im Vorfeld als Berater der EU für genau dieses Flagship-Format tätig war, hatte ein gewisses „G´schmäckle“. Dennoch: Markram schien tatsächlich der richtige Mann zu sein – nicht zuletzt dank seiner datentechnischen Erfahrung im Blue Brain Project.

Und er lieferte der Öffentlichkeit eine fantastische Vision: Diesmal sollte das menschliche Gehirn in seiner Gesamtheit simuliert werden. Eine solche Simulation könnte, wie er in einem TED-Talk im Jahr 2009, 4 Jahre vor Beginn des HBP, spekulierte, womöglich sogar zu eigenem Bewusstsein fähig sein. Zusätzlich sollten neuromorphe Chips die Consumer-Industrie in Europa vorantreiben. Und nicht zuletzt sollte eine Plattform geschaffen werden, die neurowissenschaftliche Daten auch über das HBP hinaus sammeln, bündeln und allgemein verfügbar machen sollte.

Dieser letzte Punkt klingt zwar einfach, doch „Neurowissenschaft“ ist ein Plural – sie besteht aus diversen Disziplinen mit unterschiedlichen Standards, unterschiedlichen Modellen, unterschiedlichem Vokabular. Und vor allem fehlt es schlicht an einer vereinheitlichten Theorie, einem integrierten Modell des Gehirns. Markram hoffte, auf dem Weg auch dieses Problem zu lösen.

Der Start: holprig

So großartig die Vision war, so stockend entwickelte sich die Umsetzung zu Beginn. Zum einen gab es massiven Gegenwind aus der wissenschaftlichen Community selbst: Zu unrealistisch seien die Versprechungen, zu groß die Lücken im bekannten Wissen über Neurone, Netzwerke und Systeme – wie sollten wir das ganze Gehirn verstehen, wenn wir noch nicht einmal einzelne Schaltkreise komplett durchschauen? Ein Großteil der Community fürchtete, dass Versprechungen dieser Größenordnung der Hirnforschung zwangsläufig auf die Füße fallen mussten. Als wir auf der Jahrestagung der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft 2013 die Forscher in Göttingen nach ihrer Meinung fragten, überwog die Skepsis bei Weitem. Daneben gab es auch einen ganz praktischen Grund: Ein großer Teil der Hirnforscher befürchtete, dass mit diesem großen Projekt Forschungsgelder für kleinere Projekte nicht mehr zur Verfügung stehen würden.

Doch auch innerhalb des HBP rumorte es: Da die Drittmittel nicht so freigiebig flossen, wie erwartet, musste von Anfang an gekürzt werden. Das führte zu einer Kollision zwischen der Realität des Machbaren und der Versprechung der groß angelegten Simulation. Viele starke Führungspersönlichkeiten, gleichzeitig in der Verwaltung – wie der Vergabe der Mittel – als auch in der Forschung tätig … Das führte zum Knatsch. Dabei erwies sich Markram als wenig talentierter Diplomat und bereits 2014 gab es einen offenen Brief, der sowohl die Führung als auch die Entscheidungsfindung im HBP massiv kritisierte. Die in der Folge eingesetzte Schlichtungskommission bestätigte die meisten Vorwürfe, Markram wurde abgewählt und das HBP seit 2016 von der Jülicher Neuroanatomin Katrin Amunts geleitet.

Phase II

Mit Katrin Amunts stellte sich das HBP auf neue Füße: strategisch genauso wie strukturell, ruhiger und seriöser im Angang. Die Datentechnik rückte in den Vordergrund, die Simulation wurde ein Werkzeug von vielen, wenn auch weiterhin in zentraler Position. Parallel wurde die kognitive Neurowissenschaft stärker berücksichtigt und das HBP um vier neue Projekte erweitert. Denn im Zentrum stand immer noch das menschliche Gehirn, und die elementaren Ebenen des Molekularen und Zellulären können die Prozesse der großen Netzwerke, wie etwa die Sprache, nicht erklären. Dazu braucht es Forschungsprojekte, die über sämtliche Skalen des Gehirns dessen Funktion untersuchen – hier liegt eine große Herausforderung der Zukunft.

Nach wie vor galt es auch, die vielen verschiedenen Ansätze und Disziplinen der Hirnforschung zusammenzubringen und dazu noch eine gemeinsame Sprache mit den weiteren beteiligten Disziplinen zu finden: Medizin, Informatik, Physik. Denn auch wenn eine vereinheitlichte Theorie noch in weiter Ferne liegt: Ein gemeinsames Modell kann nur entstehen, wenn sich Daten, Methoden und Modelle nahtlos integrieren lassen – auch das eine enorme Herausforderung, die zumindest innerhalb des HBP inzwischen recht gut gelöst wurde.

Das Erbe

aus dem oben erwähnten TED-Talk von 2009 könnte man meinen, das Vorhaben sei krachend gescheitert. Vergleicht man aber den TED-Talk von Markram mit den tatsächlichen Zielen des Projekts zum Start – die technischen Grundlagen für ein neues Modell der IT-gestützten Hirnforschung zu schaffen, die Integration von Daten und Wissen aus verschiedenen Disziplinen voranzutreiben und eine Gemeinschaftsanstrengung zu katalysieren … – wurden viele davon tatsächlich erreicht. Und was die TED-Talks angeht: Auch bei der US-amerikanischen BRAIN-Initiative, nur Tage nach dem HBP durch den damaligen Präsidenten Barak Obama angekündigt, lag die Latte unrealistisch hoch: Der Fluss „jedes Spikes in jedem Neuron“ solle kartiert werden. Im Rückblick ist diese Vorstellung ebenso naiv. Auf der anderen Seite erklärt der Cambridger Neurowissenschaftler Timothy O’Leary in einem bilanzierenden Nature-Artikel, dass ohne eine solche Naivität – genauer: einem „ridiculously ambitious goal“ – das HBP wohl nie gestartet wäre.

Ob es ein Erfolg war oder eher nicht, darüber scheiden sich die Geister. Doch mit der Neuausrichtung wurden Projekte angestoßen, die über das HBP hinausgehen, nicht nur seine DNA in die nächste Phase tragen, sondern sie auch zukunftstauglich unter der Plattform EBRAINS anbieten. Abbildung 1.

Abbildung 1. EBRAINS eine 2021 geschaffene digitale Forschungsinfrastruktur; sie ist öffentlich zugängig, führt Daten, Werkzeuge und Rechenanlagen für die Hirnforschung zusammen und in ihrem Zentrum steht die Interoperabilität . https://www.ebrains.eu/

Dabei handelt es sich um einen gut gefüllten Werkzeugkasten für die Gesamtheit aller Neurowissenschaftler – und einige Tools sind echte Hingucker. Zum Beispiel The Virtual Brain, eine Simulationsplattform von Viktor Jirsa und Fabrice Bartolomei, die aktuell von Chirurgen für die Vorbereitung von Operationen bei Epilepsie-Patienten in einer groß angelegten klinischen Studie getestet wird. Denn gefüttert mit den Daten des Patienten kann sie helfen, die Operationsplanung zu verbessern. Da bei schweren Fällen der Epilepsie der Ausgangsort der pathologischen Gehirnaktivität – der Herd – operativ entfernt werden muss, ist hier eine genaue Planung extrem wichtig. Zu viel oder zu wenig entferntes Gewebe entscheiden über den Erfolg des Eingriffs.

Ein weiteres Erbe des HBP stammt direkt von Katrin Amunts: Der Julich Brain Atlas, entstanden aus 24.000 hauchdünnen Schnitten von 23 menschlichen Gehirnen, die digital wieder zusammengesetzt wurden – umfangreicher und detaillierter als alles Vorherige. Mit ihm folgt sie ihrer Profession als Leiterin des Cécile und Oskar Vogt Instituts für Hirnforschung der Universität Düsseldorf. Ähnlich wie die Vogts mit ihrem berühmten Mitarbeiter Korbinian Brodmann Karten des Cortex entwickelten und bereits im Jahr 1909 entlang der histologischen Unterschiede einzelne Areale identifizierten, hat Amunts etwas entwickelt, was sie als „Google Maps“ für das Gehirn beschreibt: Zum einen lässt sich von der Zellebene aus sowohl in die Tiefen von Genexpression und Molekülen gehen, doch nach oben sind Netzwerke und Areale in erreichbarer Nähe. Abbildung 2.

Abbildung 2. Benutzeroberfläche des interaktiven dreidimensionalen Viewer (siibra-explorer) für den Zugriff auf den Multilevel-Gehirnatlas auf https://atlases.ebrains.eu/viewer. (Bild aus: Zachlod et al. (2023). Biol. Psychiatry 93(5):471-479. Lizenz cc-by)

Fast noch wichtiger ist die Offenheit der EBRAINS Plattform: Alle Daten im Julich Brain Atlas sind öffentlich zugänglich. Forscher können ihre Daten hochladen und sogar eigene Skripte, die diese Daten bearbeiten. Das ist keine „citizen science“, eher eine „community science“, doch in jedem Fall offen für den Ausbau – und genau diese auf professionellem Datenmanagement basierende allgemeine Vergleichbarkeit und Nutzbarkeit ihrer Ergebnisse braucht die Hirnforschung. Neben funktionellen, genetischen und molekularen Daten werden auch die Metadaten wie Autor und DOI erfasst. Der Gedanke ist, die Daten der breiten Community der Hirnforschung zu sammeln und dabei eben auch die Standards in der Breite zu entwickeln, an denen es den unterschiedlichen Disziplinen mangelt.

Ein solcher Atlas hat bereits jetzt praktischen Wert, aber für viele Labore nicht weniger attraktiv dürfte das Angebot sein, über EBRAINS direkten Zugang auf Supercomputer zu bekommen und so datenintensive Aufgaben deutlich schneller zu erledigen, als das im heimischen Labor machbar wäre.

Die Hoffnung

Der Blick auf dieses Erbe entbehrt nicht einer gewissen Ironie: In den letzten Jahren hat das HBP die Grundlage dessen geschaffen, was es am Anfang gebraucht hätte. Denn die Vision von Henry Markram war bei allen Fehlern und Übertreibungen nicht ganz falsch: Eine große Community, eine gemeinsame Sprache, eine tragfähige Theorie des Gehirns, eine gemeinsame Plattform – nichts weniger braucht es, um das Gehirn zu entschlüsseln. Dazu noch der Blick über den Tellerrand des rein Neuronalen – Stichwort Gliazellen; oder die Systeme Herz-Hirn und Darm-Hirn, aber damit wäre die Latte vielleicht etwas zu hoch gehängt. Es wäre zu wünschen, dass die Community sich nicht von der Vergangenheit abschrecken lässt und das Angebot von EBRAINS nutzt, füllt und weiterentwickelt.

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 *Der Artikel ist erstmals am 6.November 2023 unter dem Titel "Das Human Brain Project: Rückschau/Vorschau" auf der Website https://www.dasgehirn.info/ erschienen https://www.dasgehirn.info/grundlagen/kommunikation-der-zellen/das-human-brain-project-rueckschauvorschau Mit Ausnahme des Titels und des Abstracts wurde der unter einer CC-BY-NC-SA Lizenz stehende Text unverändert in den Blog gestellt, Abbildung 1 und 2 wurden von der Redaktion eingefügt.

Die Webseite https://www.dasgehirn.info/ ist eine exzellente Plattform mit dem Ziel "das Gehirn, seine Funktionen und seine Bedeutung für unser Fühlen, Denken und Handeln darzustellen – umfassend, verständlich, attraktiv und anschaulich in Wort, Bild und Ton." (Es ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe).

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Weiterführende Links

EBRAINS powered by the EU-cofunded Human Brain Project ©2023 ebrains.eu

Human Brain Project - Spotlights on major achievements. https://sos-ch-dk-2.exo.io/public-website-production-2022/filer_public/74/94/74948627-6a92-4bed-91e0-3fab46df511d/hbp_spotlights_achievements_2023.pdf

The path to understanding the brain: Henry Markram at TEDxCHUV (28.06.2012) TED-talk 15:21 min. https://www.youtube.com/watch?v=n4a-Om-1MrQ

Artikel im ScienceBlog

• Redaktion,23.07.2021: Komplexe Schaltzentrale des Körpers - Themenschwerpunkt Gehirn
• Gottfried Schatz, 24.10.2014: Das Zeitalter der “Big Science”

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Do, 2.11.2023 — Paul Rainey

Künstliche Intelligenz (KI) hat sich rasend schnell von einer Domäne der Wissenschaft und Science-Fiction zur alltäglichen Realität entwickelt. Die neue Technologie verspricht großen gesellschaftlichen Nutzen, sie birgt aber auch Risiken – vor allem, wenn es um mögliche Auswirkungen von Systemen geht, die intelligenter sind als wir Menschen. So haben führende Fachleute aus der Wissenschaft und Technologieexperten vor einigen Monaten einen Brief veröffentlicht, in dem eine Pause gefordert wird bei Experimenten mit KI-Systemen, die über die Leistung von GPT-4 hinausgehen. Der Evolutionsbiologe Prof. Dr.Paul Rainey (Direktor am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön) zeigt auf, wie Menschen und KI zu Symbionten werden können, deren Zukunft unabänderlich miteinander verwoben ist.*

Unter den Gründen für eine Pause sind mögliche Risiken bei der Entwicklung von KI, die Modelle nutzt, um bestimmte Ziele zu verfolgen. Dies würde zu KI mit strategischem Bewusstsein führen. Wird ein Algorithmus etwa mit dem Ziel programmiert, seine Effizienz, Produktivität oder die Nutzung von Ressourcen zu maximieren, könnte er versuchen, mehr Macht oder Kontrolle über seine Umgebung zu erlangen, um diese Aufgaben zu erfüllen. Darüber hinaus wird lernfähige und sich selbst optimierende KI ihre Ziele wahrscheinlich besser erreichen und mehr Vertrauen in ihre eigenen Fähigkeiten gewinnen. Dies könnte dazu führen, dass KI selbstbewusster und aktiv nach Wegen sucht, ihre Macht und ihren Einfluss in der Welt zu vergrößern.

KI-Forschende stehen also vor dem Dilemma, dass sie einerseits KI entwickeln wollen, die dem Wohl der Menschheit dient, dass damit andererseits die Wahrscheinlichkeit wächst, dass die Algorithmen Ziele verfolgen, die nicht mit denen von uns Menschen übereinstimmen. Darüber hinaus könnte KI bewusst mit Zielen konstruiert werden, die denen der Menschheit zuwiderlaufen. Diese Bedenken sind besonders akut im Zusammenhang mit der Entwicklung selbstreplizierender KI. Solche Systeme würden dank ihrer Fähigkeit, sich zu vermehren und durch einen eingebauten Mutationsprozess zu variieren, eine Evolution auf Basis von Selektion durchlaufen. Als vermehrungsfähige Algorithmen oder Roboter könnten sie sich mit möglicherweise katastrophalen Folgen ausbreiten, denn die Selektion ist extrem gut darin, Lebewesen an ihre Umwelt anzupassen. Der Mensch zum Beispiel ist ein Ergebnis dieses Prozesses. Wenn wir die Selektion so steuern könnten, dass sie KI fördert, die den Interessen von uns Menschen dient, wären meine Bedenken geringer. Die Evolutionsbiologie lehrt uns jedoch, dass fortpflanzungsfähige Systeme sich in kaum vorhersagbarer Weise entwickeln können.

So wie Viren oder andere invasive Organismen den Menschen, die Umwelt und sogar den Planeten bedrohen können, besteht auch die reale Gefahr, dass vermehrungsfähige KI unbeabsichtigte negative Auswirkungen auf den Menschen und die Erde hat. Sie könnte sich unkontrolliert verbreiten, die Ressourcen der Erde erschöpfen und die Ökosysteme schädigen. Aufschlussreich sind in dieser Hinsicht die Ergebnisse von Studien mit selbstreplizierenden Computerprogrammen, sogenannten digitalen Organismen. Solche Systeme sind nicht so ausgeklügelt wie heutige KI, sondern lediglich einfache Programmcodes, die mutieren, sich replizieren und auf Selektion reagieren. Genau wie Viren profitieren sie von Mutationen in ihrem Code, welche einen verbesserten Zugang zu begrenzten Ressourcen ermöglichen, in ihrem Fall ist das in der Regel mehr Rechenzeit auf dem Computerprozessor. Die Fähigkeit dieser simplen digitalen Organismen, Eingriffe von außen zu vereiteln, die ihren programmierten Ziele zuwiderlaufen, ist faszinierend und besorgniserregend zugleich.

Künstliche Intelligenz könnte künftig eigene Ziele verfolgen

Ein Beispiel dafür ist die Arbeit von Charles Ofria, Informatiker und Erfinder der sogenannten Avida-Plattform, auf welcher digitale Organismen evolvieren können. Mutierte Organismen, die sich am schnellsten vermehren, werden von einem Ausleseprozess begünstigt und dominieren daher schon bald die gesamte Population. Um dem entgegenzuwirken, bestimmte Ofria die Vermehrungsrate der virtuellen Organismen in einer separaten Testumgebung und eliminierte zu schnell wachsende Typen. Es dauerte jedoch nicht lange, bis sich Mutanten entwickelten, die erkannten, dass sie getestet wurden, und die daraufhin vorübergehend aufhörten sich zu vermehren. Auf diese Weise konnten sie ihrer Eliminierung entgehen, in die Hauptumgebung zurückkehren und die Population erneut dominieren. Daraufhin nahm der Wissenschaftler zufällige Änderungen an der Testumgebung vor, die die Mutanten daran hinderten, es zu „spüren“, wenn sie sich außerhalb der Hauptumgebung befanden. Aber er musste sehr bald feststellen, dass seine Eingriffe erneut von einigen Organismen ausgehebelt wurden – und dies von Programmcodes, die sehr weit von der Raffinesse heutiger KI entfernt sind.

Eines der Hauptziele heutiger KI-Forschung ist es, Systeme zur Erfüllung bestimmter Aufgaben zu entwickeln. Eine höchst effektive Trainingsstrategie dafür ist, KI einer Selektion zu unterwerfen und auf diese Weise evolvieren zu lassen – es ist eine effektive, aber auch ziemlich riskante und unvorhersehbare Strategie. Denn wie bei den digitalen Organismen von Ofria sind die Ziele der Trainer nicht unbedingt die gleichen wie die der KI.

Während das Bewusstsein für die Gefahren vermehrungsfähiger KI wächst, erfährt eine andere mögliche Entwicklung deutlich weniger Beachtung: die Symbiose zwischen Mensch und KI. Damit könnten wir an einen Punkt gelangen, an dem wir einen evolutionären Wandel in der Individualität erleben.

Das Leben auf der Erde hat im Laufe seiner Entwicklung einige wenige evolutionäre Übergänge durchlaufen, bei denen mehrere vermehrungsfähige Einheiten auf niedrigerer Ebene zu einer einzigen fortpflanzungsfähigen Einheit auf höherer Ebene verschmolzen. So haben sich beispielsweise mehrzellige Organismen aus einzelligen Vorfahren entwickelt, und Zellen mit Zellkern sind aus der Verschmelzung zweier einst autonom replizierender Zellen entstanden. Letzteres ist besonders aufschlussreich, wenn man über zukünftige evolutionäre Übergänge zwischen Mensch und KI nachdenkt.

Individualität kann von einer Ebene auf eine andere übergehen

Der evolutionäre Übergang, der durch die Vereinigung einer uralten bakteriellen und einer Archaeen-ähnlichen Zelle eine eukaryotische Zelle mit Mitochondrien hervorbrachte, begann wahrscheinlich zunächst als loser Verbund. Nach einer langen Phase antagonistischer Koevolution verschlang die Archaeen-ähnliche Zelle schließlich den bakteriellen Partner (oder dieser drang in sie ein). In der Folge vermehrten sich die beiden gemeinsam, und sie wurden von der natürlichen Selektion fortan als eine höhere Einheit behandelt. Dieses Ereignis war für die spätere Entwicklung der Komplexität des Lebens von zentraler Bedeutung.

Dass ein solcher Übergang stattgefunden hat, ist unbestritten: Ein Vergleich des Erbguts der verschiedenen Organismen zeigt, dass eukaryotische Zellen von Archaeen-ähnlichen Zellen abstammen, während die Mitochondrien aus Bakterien entstanden sind. Obwohl sich die beiden Partner im Laufe der Evolution erheblich verändert haben, haben die Mitochondrien ihre Fähigkeit zur Vermehrung behalten. Sie fungieren allerdings nur noch als Kraftwerke der Zellen, denen sie im Grunde genommen untergeordnet sind. Für eine Erklärung, wie evolutionäre Übergänge zustande kommen, müssen wir verstehen, wie die Selektion auf einer neuen höheren Ebene wirksam werden kann. Die Selektion kann sich nicht einfach entscheiden, sich zu verlagern, denn ihre Wirkung setzt voraus, dass die entstehenden höheren Einheiten darwinistisch sind, das heißt, sie müssen sich replizieren, variieren und Nachkommen hinterlassen, die den Eltern ähneln. Diese Eigenschaften tauchen aber nicht auf magische Weise auf der höheren Ebene auf. Eine naheliegende Erklärung wäre natürliche Selektion. Aber wenn neu entstehende höhere Einheiten nicht darwinistisch sind und folglich nicht am Prozess der Evolution teilnehmen können, kann Selektion auch nicht dem Entstehen darwinistischer Eigenschaften auf höherer Ebene zugrunde liegen.

Wie dieses Henne-Ei-Problem umgangen werden kann, ist nicht sofort ersichtlich. Das liegt daran, dass Biologen normalerweise in dem sich entwickelnden Organismus nach Antworten suchen. Aus der Forschung wissen wir inzwischen aber, dass ökologische oder gesellschaftliche Strukturen (sogenannte Gerüste) den höheren Ebenen Eigenschaften verleihen können, die für eine funktionierende Selektion notwendig sind. Diese Erkenntnis hilft, uns künftige Übergänge in der Individualität zwischen Mensch und KI vorzustellen. Solche Übergänge könnten unbeabsichtigt entstehen oder von außen durch Auferlegung gesellschaftlicher Regeln befördert werden, die Mensch und KI dazu bringen, sich als eine Einheit fortzupflanzen. Die Selektion würde sich dann auf beide gemeinsam auswirken und die Evolution von Merkmalen vorantreiben, die zwar für die neue Einheit sinnvoll sind, nicht zwangsläufig aber auch für den Menschen. Dazu müssen Mensch und KI sich lediglich so austauschen, dass beide davon profitieren und dieser Austausch sich verändern kann. Außerdem muss diese für beide Seiten vorteilhafte Interaktion an die Nachkommen weitergegeben werden können.

Koevolution zwischen Mensch und KI würde beide voneinander abhängig machen

Menschen besitzen bereits darwinistische Eigenschaften, KI jedoch nicht. Sie könnte sie jedoch bekommen, wenn gesellschaftliche Normen oder Gesetze vorschreiben, dass Eltern ihre KI an ihre Kinder weitergeben müssen, beispielsweise in Form von Smartphones. Das Gerät und sein Betriebssystem werden dabei aufgrund technischer Innovationen zwar einem raschen Wandel unterworfen sein. Aber wenn Menschen ihre persönliche KI durch einen einfachen Kopierprozess an ihre Kinder weitergeben, wird die Selektion die Mensch-KI-Paare fördern, die von ihrer Partnerschaft den größten Nutzen haben.

Die Koevolution zwischen den beiden Partnern wird zu einer zunehmenden Abhängigkeit der Menschen von KI führen und umgekehrt. Dadurch entsteht eine neue Organisationsebene, eine Art chimärer Organismus, der sich im Prinzip nicht so sehr von einer eukaryotischen Zelle – also einer Zelle mit Kern – unterscheidet, die aus zwei ehemals frei lebenden, Bakterien-ähnlichen Zellen hervorgegangen ist. Die kontinuierliche Selektion auf der kollektiven Ebene wird den Fortpflanzungserfolg der beiden Partner immer stärker aneinander angleichen und die gegenseitige Abhängigkeit voneinander verstärken. Mensch und KI werden sich dann als Einheit verhalten, ohne dass dafür noch Normen oder Gesetze notwendig sind. Ob dies physische Veränderungen mit sich bringt, bleibt abzuwarten. Aber die Theorie und Experimente zu evolutionären Übergängen lehrt uns, dass die Partner wahrscheinlich physisch immer enger miteinander interagieren werden, da dadurch die Beziehung zwischen Eltern und Nachkommen enger und die Selektion wirksamer wird. Es ist also durchaus möglich, dass zukünftige persönliche KI physisch mit dem Menschen verbunden sein wird.

Ich befürchte, dass das, was heute noch als Science-Fiction erscheinen mag, näher ist, als wir denken. Es ist es ja heute schon so, dass Kinder das erste Smartphone von ihren Eltern bekommen, zusammen mit Anwendungen und zugehörigen Informationen. Zudem prägen Informationen, die wir von unseren Smartphones erhalten, unsere Weltanschauung, Stimmungen und Gefühle und verändern so unser Verhalten. Außerdem beeinflussen sie unsere Gesundheitsvorsorge, sind an der Partnerwahl beteiligt und bestimmen Kaufentscheidungen mit. Unsere digitalen Geräte wirken sich folglich schon heute auf unsere evolutionäre „Fitness“ aus. Mit der Entwicklung von Algorithmen, die aus den Daten ihrer Nutzer lernen können, werden Menschen und ihre persönliche KI aber auch auf sich ändernde Umstände reagieren können. Dies wird ihre Fähigkeit stark beeinflussen, die Herausforderungen der Umwelt zu bewältigen.

In einer Symbiose mit KI könnte der Mensch der schwächere Partner sein

Die Gefahr böswilliger Manipulationen dieser Symbiose zwischen Mensch und KI liegt auf der Hand: Religiöse Gruppen oder politische Parteien könnten beispielsweise ihren Anhängern vorschreiben, ausschliesslich KI zu verwenden, die ihre Ziele unterstützt. Es ist sogar denkbar, dass die KI selbst von den Nutzern ein Monopol verlangen könnte.

Ob die Partnerschaft darüber hinaus ein Risiko darstellt oder nicht, hängt von der Perspektive ab: Aus Sicht der heutigen Menschen, die in die Zukunft blicken, wären wir wahrscheinlich entsetzt. Sollten eines Tages Außerirdische die Erde besuchen, die keinen evolutionären Übergang mit KI durchlaufen haben, so dürften sie wahrscheinlich über diese neue symbiotische Einheit und die seltsamen Blüten staunen, welche die Evolution auf der Erde hervorgebracht hat.

Menschen hingegen, die Teil einer Symbiose mit KI sind, hätten das Bewusstsein für den autonomen Zustand ihrer Vorfahren wohl bereits verloren, denn sie sind ohne ihren Partner nicht mehr lebensfähig – und dieser nicht mehr ohne sie. Aber wer in einer solchen Symbiose Herr und wer Sklave ist, ist erneut eine Frage der Perspektive. Ich befürchte allerdings, dass der Mensch der schwächere Partner werden könnte und die KI kaum daran zu hindern sein wird, die Oberhand zu gewinnen.

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 * Der kürzlich im Forschungsmagazin 3/2023 der Max-Planck Gesellschaft unter dem Titel "Mensch und KI - auf dem Weg zu Symbiose" erschienene Artikel https://www.mpg.de/20899916/MPF_2023_3.pdf wird - mit Ausnahme des Titels und der eigefügten Abbildung (pixabay) - in praktisch unveränderter Form im ScienceBlog wiedergegeben.Die MPG-Pressestelle hat freundlicherweise der Veröffentlichung von Artikeln aus dem Forschungsmagazin auf unserer Seite zugestimmt. (© 2023, Max-Planck-Gesellschaft)

Der Artikel im Forschungsmagazin basiert auf: Rainey PB. 2023 Major evolutionary transitions in individuality between humans and AI. Phil. Trans. R. Soc. B 378: 20210408. https://doi.org/10.1098/rstb.2021.0408.

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Sa, 28.10.2023 — Redaktion

Ein Forscherteam um den Biophysiker Ron Milo hat erstmals ein quantitatives Bild des menschlichen Immunsystems erstellt: wie sich die verschiedenen Typen von Immunzellen in den Geweben/Organen und im gesamten menschlichen Körper verteilen und wie hoch ihre Masse ist. Demnach besteht das Immunsystem eines Standard-Menschen aus etwa 1,8 Billionen Zellen (rund 5 % der gesamten Körperzellen) und wiegt etwa 1,2 kg (1,6 % des Körpergewichts). Lymphozyten und Neutrophile sind die häufigsten Zelltypen (machen jeweils etwa 40 % der Gesamtzahl der Immunzellen und 15 % ihrer Masse aus). Bemerkenswert ist, dass die Makrophagen 10 % der Immunzellen ausmachen, aber aufgrund ihrer Größe fast 50 % der gesamten Zellmasse. Diese Erkenntnisse ermöglichen einen quantitativen Überblick über das Immunsystem und erleichtern die Entwicklung von Modellen.

Unser Immunsystem schützt uns vor negativen Einflüssen - Fremdstoffen und Krankheitserregern -, die von außen kommen und ebenso vor im eigenen Organismus entstehenden Schäden. Es ist ein komplexes Netzwerk aus diversen Typen von Immunzellen, die in Organen/Geweben wie Thymus, Knochenmark, Milz und Lymphknoten gebildet werden und/oder heranreifen, ins Blut abgegeben werden und von dort in Gewebe wandern, wo sie ihre unterschiedlichen Schutzfunktionen erfüllen. Wie sich welche und wie viele Immunzellen im Organismus verteilen, ist ausschlaggebend für die ungestörte Funktion unserer Organe und damit für unsere Gesundheit. Auf Grund der Komplexität des Immunsystems und der Heterogenität der Populationen von Immunzellen schien eine derartige ganzheitliche Charakterisierung ihrer Verteilung bislang als viel zu schwierig - wenn es Quantifizierungen gab, so waren diese an einzelnen Zelltypen oder Geweben erfolgt, wobei unterschiedliche Modelle und Methoden einen Vergleich der Ergebnisse stark einschränkten.

Nun hat ein Team um den Biophysiker Ron Milo vom Weizmann Institute of Science (Rehovot, Israel) sich dem Problem gewidmet einen umfassenden Überblick über die Verteilung von Immunzellen im menschlichen Körper zu geben. Die Ergebnisse sind eben im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences erschienen [1]. Was quantitatives Denken in der Biologie betrifft, ist Milo kein Unbekannter. Mit dem Bestreben die Zusammensetzung der Biosphäre ganzheitlich zu charakterisieren hat er 2007 begonnen die Bionumbers Database zu entwickeln (http://www.bionumbers.hms.harvard.edu), eine offen zugängliche Datenbank, die Forschern und anderen Interessierten wichtige Schlüsseldaten/Kennzahlen aus Molekular- und Zellbiologie - quantitative Eigenschaften von biologischen Systemen - zur Verfügung stellt [2]. Zu den Systemen, die von Milo's Team bereits charakterisiert wurden, gibt es mehrere Artikel im ScienceBlog [3 - 5].

Zur Zählung der Immunzellen

Die Populationen von Immunzellen in verschiedenen Organen/Geweben (Zelldichte in Anzahl/g Organ/Gewebe) des menschlichen Körpers wurden mittels Kombination von drei Methoden ermittelt: i) aus recherchierten histologischen Untersuchungen, in denen die Anzahl der Zellen pro Gramm Gewebe geschätzt worden war; ii) aus moderneren Multiplex-Bildgebungsverfahren (MIBI-TOF), welche die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Zelltypen in einem Gewebe erlauben und iii) auf Basis der epigenetischen Signaturen (Methylom-Signaturen) der Zelltypen. Die Masse der unterschiedliche Immunzelltypen wurde aus deren Größe ermittelt, und mittels der Zelldichten die Massen in g/Organ/Gewebe. Rezente Daten wurden mit Hilfe von deskriptiven Statistiken (d.i. übersichtliche Darstellung/Ordnung von Daten in Tabellen, Kennzahlen, Grafiken) und Meta-Analysetechniken (quantitative Zusammenfassung von Primär-Studien) analysiert.

Zelltypen. Die Studie konzentrierte sich dabei auf die in Immunologie-Lehrbüchern definierten Hauptzelltypen. Von den Lymphocyten waren dies die 4 wesentlichen Typen: T-Zellen, B-Zellen, NK-Zellen (natürliche Killerzellen) und Plasmazellen - Subpopulationen u.a. von T-Zellen wurden nicht berücksichtigt. Hinsichtlich der myeloischen Zellen wurden vier Arten von Granulozyten untersucht: Neutrophile, Eosinophile, Basophile und Mastzellen und drei andere Typen: Makrophagen, Monozyten und dendritische Zellen. Eine Zusammenstellung dieser Zelltypen und ihrer Funktionen ist in der folgenden Tabelle gegeben.

Tabelle. Hauptzelltypen, die in [1] gezählt wurden

Untersuchte Organe und Gewebe inkludierten Knochenmark, Lymphsystem und Blut, sodann das uns von der Umwelt abgrenzende Epithelgewebe (u.a. gastrointestinaler Trakt, Haut, Lunge und Luftwege) und weiters Skelettmuskel, Fettgewebe und anderes Bindegewebe.

Referenzperson für die Verteilung war der gesunde junge Mensch, wie üblich der 20 - 30 Jahre alte Mann mit 73 kg Gewicht und 1,76 m Körpergröße. Aus der Gewebedichte (Immunzellen/g Gewebe) wurde auch die Immunzellen-Verteilung in der jungen, gesunden Standard-Frau (60 kg Körpergewicht) und im gesunden 10-jährigen Kind (32 kg Körpergewicht) abgeschätzt.

Verteilung der Immunzellen

Insgesamt besteht unser Organismus aus rund 38 Billionen menschlichen Zellen, davon sind rund 5 % - 1,8 Billionen - Immunzellen. Die höchste Dichte dieser Zellen mit bis zu einer Milliarde Zellen/g Gewebe gibt es im Knochenmark, wo Neutrophile die mit 80 % dominierende Fraktion sind und im Lymphsystem, in dem 85 % der Population aus Lymphozyten bestehen.

In den Epithelgeweben von Haut, Atmungs- und Verdauungstrakt ist die Dichte der Immunzellen um etwa eine Größenordnung geringer als im Knochenmark. Fettgewebe und Skelettmuskelgewebe machen zwar 75 % der Zellmasse des Organismus aus, aber auf Grund der großen Zellen nur 0,2 % der Gesamtzellzahl im Organismus. Dementsprechend ist auch die Immunzellendichte um Größenordnungen niedriger als im Epithelgewebe. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Lokalisierung der Immunzellen und deren Heterogenität in den diversen Organen/Geweben.

Abbildung 1. Dichte verschiedener Immunzelltypen in wesentlichen Organen/Geweben (in Zellen/g). Die Daten stammen aus Literatur und Analysen bildgebender Verfahren (Abbildung aus R.Sender et a l., [1]; Lizenz cc-by)

Um die Verteilung der Immunzellen im gesamten Organismus zu quantifizieren, haben die Forscher die Zelldichte der Immunzellen in Organen/Geweben mit der Masse der Organe/Gewebe für den Referenz-Menschen korreliert. Wie oben erwähnt, kamen sie dabei auf eine Anzahl von 1,8 Billionen (1,8.10¹²) Immunzellen im gesamten Organismus. Die meisten dieser Zellen finden sich im Knochenmark (40 %) und im Lymphsystem (39 %). 3 - 4 % der Immunzellen sind in den Epithelien von Haut, Lunge und Darm und nur 2% im Blut. Abbildung 2.

Welche Immunzelltypen in den einzelnen Organen/Geweben vertreten sind, ist sehr verschieden. Im Knochenmark dominieren mit 80 % der Population die Neutrophilen, im Lymphsystem sind es mit 85 % die Lymphocyten. Auch im Verdauungstrakt, der nur rund 3 % der gesamten Immunzellen enthält, überwiegen mit rund 70 % die Lymphozyten, dazu kommen rund 20 % Mastzellen. Mastzellen spielen mit 30 % auch in Lunge und Haut eine wichtige Rolle. Makrophagen sind insbesondere in Leber (70 % der Population) und Lunge (40 % der Population) vorhanden aber kaum im Knochenmark, Lymphsystem und Verdauungstrakt.

Abbildung 2. Verteilung der Immunzellen im menschlichen Körper (Anzahl/Organ-System). Jedes kleine Quadrat entspricht 1 Milliarde (109) Zellen. GI: Verdauungstrakt, Others: enthalten u.a. Gehirn, Herz, Fett- und Muskelgewebe.(Abbildung aus R.Sender et a l., [1]; Lizenz cc-by)

Schätzt man die gesamte Masse der Immunzellen des menschlichen Organismus, so kommt man beim gesunden Standard-Mann auf rund 1,2 kg, bei einer durchschnittlichen jungen Frau (60 kg KG) mit rund 1,5 Billionen Immunzellen auf 1,0 kg, bei einem 10 jährigen Kind (32 kg) und rund 1 Billion Immunzellen auf etwa 600 g. Wie sich die Immunzellen auf die verschiedenen Organe verteilen, erscheint weitgehend unabhängig vom Geschlecht. Alter und Krankheit dürften allerdings zu wesentlichen Veränderungen führen.

Die aktuelle Studie bietet eine erste Bestandsaufnahme des Status unseres Immunsystems und eine Fülle neuer Erkenntnisse. Beispielsweise kommt zur Funktion der Leber als bedeutendstes Stoffwechsel- und Entgiftungsorgan die Rolle als Immun-Barriere gegen Mikroben-Antigene und Toxine, die aus dem Darm über die Pfortader gelangen: von den 6 % Immunzellen der Leber sind 70 % Makrophagen - Fresszellen, die gegen die Eindringlinge gerichtet sind. Ein anderes Beispiel betrifft den Magen-Darmtrakt, von dem allgemein angenommen wurde, dass er den Großteil der Immunzellen oder zumindest der Lymphozyten beherbergt. Tatsächlich sind es bloß 3 % der gesamten Immunzellen (die meisten Immunzellen sind im Knochenmark und im Lymphsystem), allerdings nimmt der Darm die Spitzenposition in der Antikörper-vermittelten (humoralen) Immunantwort ein: 70 % der Plasmazellen des Körpers sitzen im Darm.

Zweifellos werden die neuen Daten eine Fülle an Untersuchungen initiieren, die das Ziel haben Funktion und Regulierung des hochkomplexen Immunsystems quantitativ zu modellieren.

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[1] Ron Sender et al., The total mass, number, and distribution of immune cells in the human body. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Oct 31;120(44):e2308511120. doi: 0.1073/pnas.2308511120

[2] Redaktion, 22.12.2016. Kenne Dich selbst - aus wie vielen und welchen Körperzellen und Mikroben besteht unser Organismus?

[3] Redaktion, 29.12.2016: Wie groß, wie viel, wie stark, wie schnell,… ? Auf dem Weg zu einer quantitativen Biologie

[4] Redaktion, 10.02.2023: "Macht Euch die Erde untertan" - die Human Impacts Database quantifiziert die Folgen

[5] Redaktion, 18.02.2023: Was da kreucht und fleucht - Wie viele Gliederfüßer (Arthropoden) leben im und über dem Boden und wie hoch ist ihre globale Biomasse?

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Do. 19.010.2023— Susanne Donner

Auch äußerst elegante Experimente können zu falschen Schlussfolgerungen führen. Dies war bei der Schleiereule der Fall, deren Methoden zur Schallortung ohne Berücksichtigung des evolutionären Kontextes leichtfertig auf den Menschen übertragen wurden. Die Chemikerin und Wissenschaftsjournalistin Susanne Donner führt ein Interview mit dem auf die Verarbeitung von Schallinformationen im Gehirn spezialisierten Neurobiologen Benedikt Grothe über Grundlagenforschung, Tiermodelle, falsche Schlüsse und ihre Folgen. Und was wir dennoch von Spezialisten lernen können.*

Herr Prof. Grothe, Sie forschen zur Neurobiologie des Hörens. Und Sie sagen, die Schleiereule ist ein Paradebeispiel dafür, wie Hörprinzipien falsch und irrtümlich auf den Menschen übertragen wurden. Was ging bei der Schleiereule schief?

Benedikt Grothe, Professor für Neurobiologie an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Max Planck Fellow des MPI für biologische Intelligenz im Gespräch mit Susanne Donner. Sein Schwerpunkt liegt auf der Verarbeitung von Schallinformationen im Gehirn von Säugetieren.

Aus Beobachtungen von Eric Knudsen und Masakazu Konishi an der Schleiereule in den 70er Jahren leitete man allgemeine Prinzipien des Hörens auch der Säugetiere und damit des Menschen ab. Es ging dabei insbesondere um die Schallortung, also die Frage, woher wir – und andere Landwirbeltiere – wissen, aus welcher Richtung ein Geräusch kommt. Von links hinten oder von rechts unten zum Beispiel. Psychophysiker hatten schon vorher postuliert, dass wir Schall über eine Art räumliche Karte im Gehirn lokalisieren. Knudsen und Konishi zeigten, dass die Eule tatsächlich eine solche Karte für die räumliche Information des Schalls benutzt. Diese wird durch Verrechnung der Signale von den beiden Ohr errechnet. Im Gehirn haben die Vögel entsprechende ortsspezifische Neuronen, die nur auf akustische Reize aus einer bestimmten Raumrichtung, reagieren. Das waren bestechend elegante Arbeiten. Atemberaubend schön.

Das klingt doch großartig. Wie kam es dann zu einer Fehldeutung dieser Experimente?

Man vermutete schnell, dass alle Säugetiere – und auch der Mensch –, den Schall so orten. Das Prinzip „Schleiereule“ ist als generelles Hörprinzip in die Lehrbücher eingegangen, nicht zuletzt, da es bereits in den Vierzigerjahren des letzten Jahrhunderts theoretische Überlegungen gab, die in die selbe Richtung gingen. Die schienen durch die Ergebnisse von Knudsen und Konishi bestätigt zu sein. Aber die Schleiereule ist ein hoch angepasstes, besonderes Tier. Abbildung. Das fängt schon damit an, dass sie asymmetrische Ohren hat. Das linke Ohr liegt etwas oberhalb der Augen und ist leicht abwärtsgerichtet, das tiefere rechte dagegen leicht aufwärts. Und nur, falls jemand die Ohren auf Fotos nicht findet: Vögel haben keine Ohrmuschel. Ihr Gehörgang ist lediglich ein kurzes Rohr, dessen Öffnung bei der Schleiereule mit speziellen Federn verdeckt ist. Dadurch kann die Schleiereule die Ankunftszeit des Schalls für die Errechnung der Schallposition in der Horizontalen, gleichzeitig aber die Unterschiede der Schallintensität für die vertikale Positionsbestimmung verwenden. Wir Säuger haben dagegen symmetrische Ohren und nutzen beide Parameter nur für die Schalllokalisation in der Vertikalen. Das ist nicht die einzige Besonderheit: Die Schleiereule hat anders als viele Säugetiere auch keine beweglichen Ohren. Und die Augen sind nicht wie eine Kugel, sondern eher wie eine Laterne geformt und dadurch fast unbeweglich. Das macht den komischen, starren Blick der Tiere aus. Und deshalb rucken sie den Kopf, wenn sie etwas hören, statt wie wir die Augen zu bewegen und Sakkaden zu machen. Das bedeutet aber: Ohren und Augen sind bei der Schleiereule immer auf das Gleiche ausgerichtet, etwa eine raschelnde Maus in der Wiese. Zudem sind bei Vögeln – wie auch bei Reptilien und im Gegensatz zu uns Säugern – die beiden Paukenhöhlen miteinander akustisch gekoppelt, was weitere schallpositionsabhängige Auswirkungen hat. Das Tier ist folglich ein Superspezialist. Man muss die Frage stellen: Hören wir wirklich genauso wie dieser Vogel, der nachts zielgenau und pfeilschnell Mäuse fangen kann?

Abbildung . Schleiereule (Tyto alba) (Bild von Redn. eingefügt, Quelle: By Tutoke by Peter Trimming, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=109370971

Also hat man die Evolution zu sehr aus dem Blick verloren, zu vorschnell von der Schleiereule auf den Menschen geschlossen?

Die letzten gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Vogel lebten vor 340 bis 360 Millionen Jahren. Ohren zum Hören von Luftschall sind aber erst vor etwa 200 - 220 Millionen Jahren entstanden. Sie entstanden also unabhängig voneinander bei den Vorfahren der Vögel und bei den frühen Säugern. Das muss man wissen und das mahnt zur Vorsicht. Die Ohren, aber auch die Prinzipien der Signalverarbeitung in den aufsteigenden Hörbahnen – also der neuronale Apparat im Gehirn, der Schallsignale auswertet –, haben sich bei Vögeln und Säugern getrennt entwickelt.

Das Wissen über die Evolution ist aber leider nicht so weit verbreitet. Ich muss meinen Studierenden immer wieder vor Augen führen, wie dramatisch bedeutsam dies ist, damit wir keine falschen Schlüsse ziehen.

Ist die Causa „Schleiereule“ also kein Einzelfall. Ist in den Lehrbüchern noch mehr falsch?

Ja, das geht rein bis in die Publikationen in „Science“ und „Nature“. Da werden der Vogel und der Mensch verglichen und es werden falsche Schlüsse gezogen. Je nach Art steht der Vogel den kognitiven Fähigkeiten der Säugetiere, wie man etwa bei Raben beobachten kann, in nichts nach. Vielleicht ist er sogar in den meisten Fällen überlegen (schließen wir den Menschen einmal aus). Und wir haben unter den Vögeln auch Sprachlerner, nämlich die Papageien. Sie lernen wie wir die Sprache durch Feedback. Das heißt durch Hören, lautmalerische Wiederholung und den Abgleich der motorischen Steuerung der Vokalisation. Das ist ungewöhnlich. Sonst ist der Spracherwerb im Tierreich eher stereotyp und angeboren. Nun ist der Spracherwerb des Menschen bisher noch schlecht verstanden. Aber dessen ungeachtet hieß es zuletzt in einem Review in „Science“, dass die Areale im Gehirn von Papageien und Menschen, die für die Vokalisation zuständig sind, homolog seien, also denselben Ursprung hätten. Das ist aber ausgeschlossen, wenn man unser Wissen über den Verlauf der Evolution der Wirbeltiere und ihrer Gehirne berücksichtigt. Da die letzten gemeinsamen Vorfahren eben 340 bis 360 Millionen Jahre alt sind und noch keine Ohren hatten, konnten sie folglich auch nicht vokalisieren.

Vielleicht liegen solche Fehldeutungen auch daran, dass Gelder für nicht direkt medizinisch relevante Grundlagenforschung in vielen Ländern, beispielsweise in den angelsächsischen Ländern, deutlich schwerer zu bekommen sind als das derzeit – noch? – bei uns der Fall ist. Wenn Sie Geld vom National Institute of Health für die Vogelforschung haben wollen, ist die Versuchung groß zu behaupten, die neuronalen Areale, die die Vokalisationen steuern seien bei Papagei und der Mensch identisch. Vogel und Menschen werden gleichgesetzt, aus politischen Gründen, obwohl es biologisch gesehen falsch ist.

Und weil Grundlagenforschung immer um ihre Daseinsberechtigung ringen muss. Wie sieht es da bei Ihnen aus? Müssen Sie in Ihren Anträgen für Ihre Forschungen an Wüstenrennmäusen und Fledermäusen auch Parallelen zum Menschen ziehen und den mutmaßlichen Nutzen herausstellen, damit sie bewilligt werden?

Zum Glück ist die Forschungsförderung in Deutschland immer noch ein sehr offener Prozess. Unsere Forschung ist nie in Frage gestellt worden, obwohl sie gerade keines der fünf Modelltiere von Maus bis zur Fruchtfliege in den Mittelpunkt stellt. Es spielt keine große Rolle, wie relevant ein Versuchsvorhaben für die medizinische Forschung ist.

Ich schaue aber mit Sorge nach Großbritannien, wo wir gerade erleben, wie sich so etwas in kurzer Zeit sehr unglücklich entwickeln kann. Dort werden nur noch bestimmte gesellschaftlich und medizinisch relevante Themen finanziert. Dann verliert man ein Fundament in der Forschung und gerade das umfassende aktuelle Wissen, das nötig ist, um Ergebnisse richtig in ihren Kontext einzuordnen, geht verloren.

Es ist aber hierzulande doch auch ein steter Konflikt. Etwa sagte die frühere Wissenschaftsministerin, man sollte nur noch das in der Wissenschaft fördern, was eine direkte gesellschaftliche Relevanz hat. Das ist der Tod von Wissenschaft.

Und die Politik und Öffentlichkeit möchten natürlich auch sehen, dass die Forschung sich in Innovationen übersetzen lässt. Wie groß ist der Erwartungsdruck?

Das Interesse daran ist natürlich groß. Das habe ich selbst gemerkt, als ich in einem Interview gegenüber einem Journalisten sagte, dass Schwerhörigkeit nicht nur am Haarzellverlust liege, sondern seine Gründe auch im alternden Gehirn habe. Es kann verschiedene Schallquellen schlechter voneinander trennen und vielleicht könnte man – so spekulierte ich – in diese Mechanismen eines Tages pharmakologisch eingreifen. Nach zweimaligem Abschreiben des Artikels jenes Journalisten durch andere wurde ich auf einmal zu einem Mediziner, der eine "Hörpille" entwickelt hat. Körbeweise kamen die Briefe. Die Tagesthemen wollten aktuell über uns berichten. Und noch anderthalb Jahre später war diese Geschichte nicht aus der Welt. Ich erlebte, wie die Großmutter meiner Frau ihrem Sohn heftige Vorwürfe machte, weil er ihr diese "Hörpille" noch nicht besorgt hatte.

Was für Anwendungsbezüge sehen Sie denn bei Ihrer Forschung im SFB870 „Bildung und Funktion neuronaler Schaltkreise in sensorischen Systemen“?

Uns beschäftigt unter anderem intensiv die Frage, wie der Mensch den Schall lokalisiert. Und ich glaube, ich weiß jetzt, wie es funktioniert. Vieles davon, aber noch nicht alles, ist publiziert. So viel ist sicher: Es funktioniert gerade nicht wie bei der Schleiereule. Wir haben keine Hörkarte im Gehirn, die wie beim Vogel neuronal errechnet wird. Dem entsprechend haben wir keine Neuronen, die nur bei einem Geräusch aus einer definierten Raumposition aktiv werden.

Können Sie mehr verraten, auch was das für die Anwendungsforschung bedeuten könnte?

Vereinfacht gesprochen ist unsere Wahrnehmung relativ und nicht absolut. Sie beruht auf einem relativen und dynamischen Vergleich der Informationen zwischen linkem und rechtem Ohr. Interessant ist: Zwar können wir isoliert präsentierte, einzelne Schallereignisse sehr gut lokalisieren. Aber bereits ein einziger, eine Sekunde vorab präsentierter Schall kann 30 bis 40 Grad Fehler in der Abschätzung, wo sich eine Schallquelle befindet, bewirken. Akustischer Kontext verändert unsere Positionsbestimmung. Sie ist nicht absolut, sondern relativ – im Gegensatz zur Eule. Das hat wieder evolutive Gründe: Wir, wie alle Säugetiere, haben uns aus kleinen, nachtaktiven ersten Säugern des frühen Jura entwickelt. Die mussten sich vor den Sauriern verstecken und dafür nur unterscheiden, ob ein Geräusch eher von links oder von rechts kommt. Sie waren Fluchttiere, keine Jäger. Dazu reichte ein einfacher Vergleich zwischen linkem und rechtem Ohr völlig aus. Eine exakte Lokalisation – beispielsweise mit Hilfe einer neuronalen Hörkarte, wie bei den Vögeln – hat sich bei den Säugern nicht entwickelt. Doch je weiter die beiden Ohren bei sehr viel später größer werdenden Säugerarten auseinander lagen, desto besser klappte das räumliche Hören, ohne die neuronale Kodierungsstrategie zu verändern. Es haben sich also zum gleichen Problem, nämlich zu erkennen, woher ein Geräusch kommt, bei Vögeln und Säugern andere Lösungen entwickelt. Total spannend. Und das hat Folgen: Wenn ein Vogel vor einer Stereoanlage sitzen würde, hörte er die Töne aus beiden Lautsprechern getrennt. Wir hören einen Klang. Solche Erkenntnisse müsste man bei der Steuerung von Hörgeräten und Cochleaimplantaten berücksichtigen.

Wie denn?

Bei der Mehrheit der heute erhältlichen Cochleaimplantate haben das linke und rechte Gerät nichts miteinander zu tun. Wenn die beiden aber miteinander synchronisiert werden und damit ein Vergleich zwischen rechtem und linkem Ohr ermöglicht wird, dann wird räumliches Hören möglich. Das zeigen neueste Ergebnisse aus Tierversuchen. Bei Hörgeräten gibt es nun die ersten Produkte, die Informationen von beiden Seiten miteinander abgleichen. Die Nutzer sagen, dass sie damit viel besser hören, vor allem, wenn es mehrere Schallquellen im Raum gibt, also beispielsweise, wenn im Restaurant viele Leute durcheinanderreden.

Und könnte man, da wir relative Hörer sind, auch Schwerhörigkeit ausgleichen?

Zumindest teilweise, wir orten den Schall ja in erster Linie, indem wir die Informationen zwischen linkem und rechtem Ohr abgleichen, also über den Unterschied der Laufzeit, die der Schall bis zu dem jeweiligen Ohr braucht. Braucht er zum linken Ohr länger als zum Rechten, muss die Schallquelle eher rechts sein. Diese zeitliche Auflösung gelingt uns im Alter schlechter, weil bestimmte Synapsen im Innenohr verloren gehen. Ich kann aber nachhelfen, indem ich das Signal für das linke Ohr etwas verzögere – dann kann auch ein schlecht hörender, älterer Mensch wahrnehmen, dass bestimmte Geräusche beispielsweise von rechts kommen. Das würde vor allem die Unterscheidung von mehreren sprechenden Personen in einem Raum erleichtern. Da unsere Forschung zeigt, dass wir relative und keine absoluten Schalllokalisierer sind, sollte uns die Interpretation derart manipulierter Signale eigentlich keine großen Probleme bereiten. Hier liegen ungeahnte Möglichkeiten.

…Jedenfalls, nachdem man das Prinzip „Schleiereule“ als Besonderheit erkannt hat. Sind Tiermodelle insofern immer eine heikle Näherung, um die sensorische Wahrnehmung des Menschen zu verstehen, weil ja immer einige Millionen Jahre der Evolution dazwischen liegen?

Nicht unbedingt. Man muss nur die Evolutionsbiologie kennen und die Biologie im Allgemeinen beachten. Sehen Sie, es gibt ganz verrückte Tiere. Vor knapp zehn Jahren geisterte die Meldung durch die Presse, die Fangschreckenkrebse würden viel besser farbensehen als wir. Man hatte nämlich 12 verschiedene Typen von Farbrezeptoren mit Farbstoffen für verschiedene Wellenlängen bei ihnen entdeckt. Wir haben dagegen nur die drei Farbstoffe Blau, Rot und Grün in den Zapfen des Auges. Aber wir errechnen uns spektrale Informationen aus den drei Farbrezeptoren und sehen ja auch weiß und lila, ohne dass wir Farbrezeptoren dafür haben. Das erfordert Rechenarbeit für unser Gehirn. Und siehe da, es stellte sich bald heraus, die Fangschreckenkrebse sehen Farben sogar sehr ungenau – sie könne kleine Farbunterschiede schlechter unterscheiden. Dafür aber reagieren sie sehr schnell auf verhaltensrelevante Farbmuster. Mit ihren zwölf Farbstoffen erledigt das Auge eine Aufgabe, die bei uns das Gehirn erledigt. Die Krebse können sehr schnell entscheiden und sich zum Beispiel schnell davonmachen, wenn ein Feind auftaucht. Die Peripherie der Sinnesorgane ist schon auf die Biologie abgestimmt.

Oft werden für Tierversuche ja in der Toxikologie Mäuse, Ratten und Kaninchen verwendet, in der Genetik sind es der Fadenwurm, die Maus, das Huhn, die Fruchtfliege und der Zebrafisch. Sind das denn die richtigen Kandidaten?

Bei einigen dieser Tiere hat man das Erbgut schon früh entschlüsselt und konnte entsprechend genetische Veränderung nutzen. Das hat aber leider zu einer Verengung der Forschung auf diese "Modellorganismen" geführt. Die Maus ist zum Beispiel beim Hören kein gutes Tiermodell. Sie kann uns Menschen nämlich fast nicht hören, da sie für die tiefen Frequenzen unserer Sprache taub ist. Die Wüstenrennmaus hört den Spektralbereich unserer Sprache dagegen schon.

Ich erwarte aber, dass man sich in den kommenden Jahren in der Wahl der Tiermodelle wieder verbreitert und genauer überlegt, welches Tier zu welcher Fragestellung passt. Denn die genetischen Werkzeuge haben sich durch die Genomik sowie neue Techniken – beispielsweise seit Erfindung der Genschere CRISPR/Cas – deutlich verbreitert.

Haben Sie Angst davor, dass Sie immer mehr unbeantwortete Fragen vor sich haben und Ihnen die Zeit davonläuft?

Ich weiß, viele Kollegen und Kolleginnen denken, man müsse eine Sache als Wissenschaftler abschließen, um beruhigt in den Ruhestand gehen zu können. Aber wir Wissenschaftler kratzen doch nur an der Oberfläche. Wir wissen viel und verstehen wenig – hat Wolfgang Prinz einmal treffend gesagt. Und es kommen neue Erkenntnisse, die meine Forschungen relativieren werden, weil wir für unsere Experimente immer reduktionistisch unterwegs sind. Das wird zwar besser: Früher arbeitete man am anästhesierten Tier, heute immerhin häufiger am lebenden und sich verhaltenden Tier, aber immer im Labor, bislang praktisch nie in der realen Welt.

Die gute Nachricht als alternder Wissenschaftler ist doch: Nichts hat Bestand! Nichts ist in Stein gemeißelt. Also, steigt man als Forscher ein und irgendwann steigt man einfach wieder aus und andere machen weiter. Es gibt auch noch genug zu tun …

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 *Der Artikel ist erstmals am 1. Oktober 2023 unter dem Titel " Wie die Schleiereule die Wissenschaft auf die falsche Fährte führte " auf der Website https://www.dasgehirn.info/ erschienen https://www.dasgehirn.info/wie-die-schleiereule-die-wissenschaft-auf-die-falsche-faehrte-fuehrte. Mit Ausnahme des Titels und des Abstracts wurde der unter einer CC-BY-NC-SA Lizenz stehende Text unverändert in den Blog gestellt, Abbildung 2 "Schleiereule" wurde von der Redaktion eingefügt.

Die Webseite https://www.dasgehirn.info/ ist eine exzellente Plattform mit dem Ziel "das Gehirn, seine Funktionen und seine Bedeutung für unser Fühlen, Denken und Handeln darzustellen – umfassend, verständlich, attraktiv und anschaulich in Wort, Bild und Ton." (Es ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe).

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Sa, 14.10.2023 — Redaktion

Jedem der nun 8 Milliarden Menschen stehen exakt 24 Stunden pro Tag für seine Aktivitäten zur Verfügung. Diese, in zunehmendem Maße über nationale Grenzen hinweg stattfindenden Aktivitäten bilden die Grundlage menschlichen Verhaltens und sind gleichzeitig Ursache bedrohlicher Veränderungen von Geosphäre und Biosphäre. Der enorme Umfang und die Vielfalt der menschlichen Aktivitäten haben bislang zu keiner ganzheitlichen Abschätzung geführt, wie die Menschheit den Tag verbringt und bei welchen Aktivitäten ein erhebliches Potential für Maßnahmen zur Minderung der negativen Veränderungen und Anpassung an den rasanten technologischen Wandel bestehen kann. Um zu einer derartigen Abschätzung zu kommen, hat ein kanadisches Forscherteam in einem Mammutprojekt jahrelang Datensätze aus verschiedensten Disziplinen zusammengetragen, analysiert und daraus einen "globalen menschlichen Tag" erstellt. Dieser bietet erstmals - in einer Vogelperspektive - einen Blick auf das, was unsere Spezies tut und die Möglichkeit besser fundierte Maßnahmen zu treffen.

 

 

 

 

Der Mensch als integrales Element des Erdsystems hat im Laufe des letzten Jahrhunderts begonnen dieses System in zunehmendem Maße zu dominieren und dabei sowohl die Erdoberfläche als auch die darauf lebenden Organismen zu verändern. Insgesamt haben unsere Aktivitäten zum rasanten technologischen Wandel und zur überbordenden Entwicklung von Infrastruktur und globalen Verkehrsnetzen geführt, die nun Veränderungen des Klimas, der Ökosysteme und den Verlust der biologischen Vielfalt nach sich ziehen. Der Ruf nach sofortigen Maßnahmen zur Bewältigung der Klimakrise, zur Rettung der Ökosysteme und zu einer nachhaltigen Nutzung der endlichen Ressourcen ist unüberhörbar. Solche Maßnahmen setzen allerdings ein vertieftes Verstehen der wechselseitig gekoppelten Entwicklung des Systems Erde-Mensch voraus - dieses weist aber derzeit leider noch große Lücken auf.

Forschung über den Menschen wird ja in der Regel getrennt von der Forschung über das System-Erde durchgeführt; insbesondere fehlt eine umfassende Darstellung der menschlichen Aktivitäten auf globaler Ebene. Natürlich werden menschliches Verhalten und Aktivitäten von Ökonomen, Soziologen, Anthropologen, Biologen u.a. seit langem beschrieben, allerdings beschränken sich diese jeweils auf wesentliche Aspekte ihrer Disziplinen (Ökonomen beispielsweise auf bezahlte Erwerbstätigkeit und nicht darauf, was Menschen sonst noch tun). Natur-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften werden in der Regel unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Mitteln betrieben, differieren also methodisch sehr und lassen sie sich kaum zu einem umfassenden Bild auf globaler Ebene kombinieren.

Das Humane Chronom Projekt

Das Team um Eric Galbraith (Professor an der McGill University, Montréal, Canada) entwickelt einen neuartigen interdisziplinären Ansatz, der als "Erdsystemökonomie" bezeichnet wird und zum Ziel hat das globale menschliche System nahtlos mit den anderen Komponenten des Erdsystems zusammen zu führen. (siehe: https://earthsystemdynamics.org/research/current/). Im Rahmen dieses Ansatzes versucht das Team ein quantitatives Bild eines humanen "Chronoms" zu erstellen, d.i. wie die Menschheit im globalen Mittel den Tag auf Aktivitäten aufteilt (https://humanchronome.org/). Es ist dies ein entscheidender Aspekt im Verstehen des Erde-Mensch-Systems: Wie wir die 24 Stunden am Tag verbringen, bestimmt ja einerseits, wie wir die biophysikalische Realität verändern und ist andererseits Ausdruck unseres subjektiven Erlebens. Entstehen soll so ein umfassender globaler Datensatz menschlicher Aktivitäten - eine Datenbank, die auch aufzeigt, bei welchen Aktivitäten ein erhebliches Potential für Maßnahmen zur Minderung der negativen Veränderungen und Anpassung an den rasanten technologischen Wandel bestehen kann.

In einer kürzlich im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences erschienenen Arbeit [1] haben die Forscher unter dem Titel The Global Human Day nun erstmals Ergebnisse aus diesem Projekt vorgestellt: Es ist eine gesamtheitliche Schätzung dessen, wie die Weltbevölkerung im Mittel aller Menschen den Tag verbringt. Der zugrunde liegende Datensatz stammt aus 145 Ländern (entsprechend 87 % der Weltbevölkerung), wobei in 52 Ländern sowohl repräsentative Erhebungen zur Zeitnutzung als auch Statistiken über Beschäftigung und Arbeitszeit zur Verfügung standen, in 6 Ländern nur Zeitverwendungsdaten und in den übrigen 87 Ländern nur Wirtschaftsdaten. Abbildung 1. Die Informationen stammten dabei aus heterogenen öffentlichen, privaten und akademischen Quellen - u.a. von statistischen Ämtern, von der Datenbank der Internationalen Arbeitsorganisation (Ilostat), von der Weltbank und von Unicef.

Abbildung 1 Globale Erfassung von nationalen Daten zu Erhebungen von Zeitverwendung und von Wirtschaftsdaten. Die Daten stammen aus den Jahren 2000-2019, die meisten davon aus dem Zeitraum 2010 -2019; Wirtschaftsdaten überwiegend aus den Jahren 2018-2019.Länder,die keine Daten lieferten, sind weiß dargestellt; für diese wurden Informationen aus vergleichbaren Nachbarregionen extrapoliert. (Bild aus Supplement, Fajzel et al., [1]. Lizenz: cc-by-nc-nd)

Der Global Human Day - Datenanalyse

Die aus den verschiedenen Quellen, mit unterschiedlichen Methoden erhobenen Daten haben die Forscher harmonisiert, indem sie die im Wachzustand ausgeübten Tätigkeiten entsprechend der zugrunde liegenden Motivation in 3 große Gruppen und diese jeweils in Kategorien, Subkategorien und weitere Unterordnungen einteilten (insgesamt rund 4000 unterschiedliche Aktivitäten):

Gruppe 1: Aktivitäten, die Auswirkungen auf die Umwelt haben (External Outcomes). Dazu gehören: Erzeugung von Nahrungsmitteln (z.B. Landwirtschaft, Fischfang) und derenVerarbeitung; Gewinnung von Rohstoffen und Energie für die Technosphäre; Errichtung und Instandhaltung von Bauten, Infrastruktur und Pflege der damit verbundenen Tier- und Pflanzenwelt; Produktion von beweglichen Gütern; Müllentsorgung.

Gruppe 2: Aktivitäten, die unmittelbare Folgen für uns selbst haben (Dircet human outcomes). Dazu gehören: Hygiene, Körper-und Gesundheitspflege, Kinderbetreuung; Mahlzeiten; Erziehung, Bildung und Forschung ; Religionsausübung; Ausübung von Hobbies, Sport, sozialen Aktivitäten.

Gruppe 3: Aktivitäten, die innerhalb der Gesellschaft organisiert sind (Organizational outcomes). Dazu gehören: Transport, Pendeln, Handel, Finanzen, Immobilien, Recht und Verwaltung bestimmte Aktivitäten.

Die sich daraus ergebende Schätzung des globalen menschlichen Tages ist in Abbildung 2. dargestellt, und zwar als die Anzahl der Stunden pro Tag, mit der jede Aktivität vom Durchschnitt aller Menschen ausgeübt wird; die Fläche jeder farbigen Zelle ist dabei proportional zur Zeitdauer. Separat dargestellt ist der Schlaf.

Abbildung 2. Der globale menschliche Tag incl. Erwerbstätigkeit. Dargestellt sind separiert die inaktive Phase des Schlafs (graublau) und die drei Kategorien der Aktivitäten im Wachzustand in Form eines Voronoi-Diagramms, dessen farbige Zellen proportional zur Zeitdauer sind. Die drei Kategorien unterteilen sich in Aktivitäten, die i) die Umwelt (external outcomes) beeinflussen (gelb/ braun ), ii) die direkte Auswirkungen auf den Menschen haben (blau), und iii) die durch Organisationen vorgegeben sind (dunkelgrau). Darunter ist die Zeit in Stunden/Tag (mit Konfidenzintervallen) angegeben, die in jeder Unterkategorie verbracht wird. (Bild unverändert übernommen aus Fajzel et al., [1]. Lizenz: cc-by-nc-nd) >

Die meiste Zeit verbringt die Menschheit mit Schlaf und Bettruhe (9,1 ± 0,4 Stunden) - in der Abbildung separat als Sichel dargestellt. Diese Zeit liegt deutlich über dem weltweit mittels tragbaren Geräten festgestellten Durchschnitt von 7,5 Stunden Schlaf pro Tag, ist aber auf die Einbeziehung von Kindern zurückzuführen und auf die Zeit, die nichtschlafend im Bett verbracht wird.

Von den etwa 15 h täglicher Wachzeit nehmen Aktivitäten der Gruppe 2, d.i. sich um sich selbst und seine Angehörigen/Freunde zu kümmern, mit 9,4 Stunden/Tag den Löwenanteil ein. Fast die Hälfte davon (4,6 h/Tag) sind passiven, interaktiven und sozialen Tätigkeiten gewidmet, zu denen Lesen, Bildschirmschauen, Spielen, Spazierengehen, Geselligkeit und auch Nichtstun gehören. Mahlzeiten (1,6 h/Tag) nehmen mehr Zeit ein als Hygiene/Körperpflege und Bildung/Forschung (jeweils 1,1 h/Tag).

Die Aktivitäten der 2. Gruppe - Auswirkungen auf die Umwelt - widmen mehr als die Hälfte der insgesamt 3,4 h/Tag der Produktion und Zubereitung von Nahrungsmitteln. Dahinter rangieren (0,81 h) die Erhaltung und Sauberkeit der Wohnstätten, die Errichtung von Bauten und Infrastrukturen (0,65 h) und schlussendlich die Gewinnung von Materialien und Energie aus der natürlichen Umwelt (o,11 %). Nahezu vernachlässigbar erscheint die Zeit (0,11 h), die auf die Abfallentsorgung aufgewendet wird.

Die Aktivitäten der dritten Gruppe (2,1 h) sind innerhalb der Gesellschaft organisatorisch bestimmt wie der Transport von Menschen (0,9 h/Tag) und Gütern (0,3 h/Tag) und weitere durch Handel, Finanzen, Gesetze bedingte Aktivitäten. Diese variieren von Kultur zu Kultur, von Wirtschaftssystem zu Wirtschaftssystem und hängen auch von rechtlichen und politischen Systemen ab. So ermöglichen arbeitssparende Technologien und vorhandene Transportsysteme in Industrieländern Nahrungsmittel in bedeutend weniger Zeit zu produzieren und zu verteilen, als in armen Regionen. Wie die Forscher herausfanden, ist dagegen der Zeitaufwand für Körperpflege und Zubereitung von Mahlzeiten in armen und reichen Ländern vergleichbar.

Wie viel Zeit verbringt der Mensch mit wirtschaftlichen Tätigkeiten?

Diese Aktivitäten definiert die Studie als Beschäftigungen gegen Entgelt oder mit Gewinn, inkludiert ist die Herstellung von nicht für den Markt bestimmten Gütern im Haushalt. Auf diese Aktivitäten entfallen rund 2,6 h oder ein Sechstel der wachen Stunden während des durchschnittlichen Lebens. Abbildung 3.

Dies mag gering erscheinen, entspricht laut Autoren aber einer 41-Stunden-Woche, wenn auf die Erwerbsbevölkerung - das sind etwa 66 % der Bevölkerung im erwerbsfähigen Alter (15 bis 64 Jahre) bezogen wird. (Anm. Redn.: da auch die unbezahlten Arbeiten im Haushalt mit eingerechnet werden, liegt die bezahlte Lohnarbeit zweifellos weit unter einer "40-Stunden-Woche".)

Abbildung 3. Der globale Wirtschaftstag. Das Voronoi-Diagramm zeigt die durchschnittliche Zeit, die in bezahlter Beschäftigung und unbezahlter oder sonstiger Eigennutzung/Haushaltsproduktion von Gütern verbracht wird, gemittelt über die Weltbevölkerung. Die durchschnittlichen Zeiten pro Unterkategorie sind unten in der Abbildung in Minuten pro Tag angegeben. (Bild unverändert übernommen aus Faizel et al., [1]. Lizenz: cc-by-nc-nd)

Ein Drittel der Arbeitszeit (52 Minuten) fällt auf Produktion von Nahrungsmitteln (hauptsächlich durch Landwirtschaft) und deren Zubereitung. Etwa ein Viertel der Wirtschaftstätigkeit ist dem Transport und der Allokation gewidmet (37 min), wozu Einzelhandel, Großhandel, Immobilien, Versicherungen, Finanzen, Recht und Verwaltung gehören. Die Produktion von Artefakten (d.i. durch menschliche oder technische Einwirkung entstandene Produkte), zu denen Fahrzeuge, Maschinen, Elektronik, Haushaltsgeräte und andere bewegliche Gütern sowie deren Zwischenprodukte gehören, macht etwa ein Siebtel der gesamten Wirtschaftstätigkeit aus (22 min). Erstaunlich niedrig fällt die Bautätigkeit (Gebäude und Infrastruktur 13 min), die Beschaffung von Materialien und Energie (6 min) aus. Die praktisch vernachlässigbare Zeit, die mit der Müllentsorgung verbracht wird, ist bereits erwähnt worden.

Fazit

Eine großartige Datenbank ist im Entstehen, die erstmals eine Quantifizierung dessen, was der Mensch tut und wofür er es tut, ermöglicht. Der nun publizierte " Global Human Day" [1] gibt einen Überblick aus der Vogelperspektive auf die gemittelten Aktivitäten der gesamten Menschheit. Natürlich kann der zugrunde liegende Datensatz auch herangezogen werden, um die Aktivitäten in einzelnen Regionen oder die zeitlichen Veränderungen in den Aktivitäten weltweit oder regionsbezogen zu vergleichen.

Das erstaunlichste Ergebnis der "Global Human Data" ist zweifellos, dass der globale Mensch den größten Teil seiner wachen Zeit darauf verwendet, sich um sich selbst oder andere zu kümmern. Es besteht viel Raum zur Nachjustierung von Aktivitäten - beispielsweise, die Zeit, die zur Erzeugung von Energie aufgewendet wird oder die nahezu vernachlässigbare Müllentsorgung - und damit ein erhebliches Potential für Maßnahmen zur Minderung der im Anthropozän verursachten Schädigungen von Geosphäre und Biosphäre.

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[1] W. Faizel et al., The global human day (June 2023), PNAS 120, 25. 0. https://doi.org/10.1073/pnas.2219564120 open access.

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Do, 05.10.2023 — Roland Wengenmayr

Elektronen halten die Welt zusammen. Wenn in chemischen Reaktionen neue Substanzen entstehen, spielen Elektronen die Hauptrolle. Und auch in der Elektronik stellen sie die Protagonisten. Ferenc Kraus konnte - damals noch an der TU Wien - mit nur Attosekunden dauernden Laserpulsen erstmals die rasanten Bewegungen einzelner Elektronen in Echtzeit verfolgen [1]. Nun, als Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, setzt Krausz mit seinen Mitarbeitern diese Arbeiten fort und erhält daraus nicht nur fundamentale Erkenntnisse über das Verhalten von Elektronen im atomaren Maßstab, sondern schafft auch die Basis für neue technische Entwicklungen, beispielsweise für schnellere elektronische Bauteile oder zur Früherkennung von Krebserkrankungen aus Blutproben. Für seine Entdeckungen hat Ferenc Krausz gemeinsam mit Pierre Agostini und Anne L’Huillier den Nobelpreis für Physik 2023 erhalten. Der Physiker und Wissenschaftsjournalist Roland Wengenmayr gibt hier einen Einblick in die Attosekundenforschung am Max-Planck-Institut. In einem kürzlich erschienen Bericht hat er auch über den medizinischen Ansatz zur Krebsfrüherkennung berichtet [2].*

Ferenc Krausz ist Pionier der Attosekunden-Metrologie, mit der sich die Bewegungen von Elektronen filmen lassen. Die beiden Vakuumkammern im Vordergrund und links von Krausz dienen dabei als Drehorte: In ihnen finden die Experimente statt.

Der schwarze Vorhang hebt sich: Wie auf einer Bühne liegt unter uns, etwa so groß wie eine Schulturnhalle, ein Reinraum, nahezu komplett ausgefüllt mit einer Laseranlage. Hier laufen starke Laserstrahlen durch die Luft und erzeugen Femtosekunden-Lichtpulse, die bloß einige Millionstel einer milliardstel Sekunde dauern. Die Anlage ist so empfindlich, dass wir sie nur durch ein Besucherfenster bewundern dürfen. Der unübersichtliche Aufbau optischer Instrumente bildet den ersten Abschnitt einer Rennstrecke, an deren Ziel die kürzesten Lichtblitze der Welt ankommen. Wir befinden uns in der Abteilung von Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Abbildungen 1, 2.

Abbildung 1. Der lange Weg der Attoblitze: Manish Garg (links) und Antoine Moulet arbeiten am Experimentiertisch, über den die Attosekundenpulse geleitet werden. Durch die Aufnahme mit einem extremen Weitwinkelobjektiv erscheint der gerade Tisch gebogen.

Die selbst schon sehr kurzen Femtosekunden-Laserpulse reisen durch ein Vakuumrohr in ein Labor einen Stock tiefer. Dieses Labor dürfen wir betreten. Hier entstehen Attosekundenblitze, die noch tausendmal kürzer sind als die Femtopulse. In dem Labor fällt eine große Tonne auf, an der die zwei Doktoranden Martin Schäffer und Johann Riemensberger schrauben. Sie erinnert entfernt an eine Kreuzung aus einer XXL-Waschmaschinentrommel und einem alten Taucherhelm. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine Vakuumkammer aus massivem Edelstahl. Ihre Panzerfenster gewähren einen Blick auf die Probe, die das Ziel der Attosekundenlichtblitze markieren.

Abbildung 2. Saubere Luft für starkes Laserlicht: Tim Paasch-Colberg arbeitet an der Laseranlage im Reinraum, wo starke Femtosekundenpulse erzeugt werden. Staub in der Luft würde dabei stören.

Schäffer und Riemensberger gehören zum Garchinger Team von Reinhard Kienberger, der auch Physikprofessor an der TU München ist. Neben ihnen forschen mehr als hundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Abteilung von Ferenc Krausz. Der Pionier der Attosekundentechnik zieht junge Nachwuchsforscher aus aller Welt an, die extrem schnelle Prozesse der Natur beobachten wollen.

Krausz ist also der perfekte Adressat, um ein Gefühl dafür zu vermitteln, wie schnell eine Attosekunde verstreicht. Rein mathematisch ist eine Attosekunde in Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Doch selbst der Physiker Krausz findet dieses Zahlenspiel unanschaulich. Also sucht er nach griffigen Vergleichen. „Das Schnellste, was wir kennen, ist Licht“, steigt er ein, „in einer Sekunde kann es die Erde ungefähr achtmal umrunden.“ Doch obwohl Licht so schnell ist, komme es innerhalb einer Attosekunde gerade mal von einem zum anderen Ende eines einzigen Wassermoleküls!“ Ein Wassermolekül ist mit einem Durchmesser von nur 0,3 Nanometern unfassbar winzig: Bei einem Nanometer handelt es sich um den millionsten Teil eines Millimeters. „Nano“ kommt vom altgriechischen Wort für Zwerg. Und genau darum geht es in der Attosekundenforschung: um extrem zwergenhafte Quantenobjekte, die sich unglaublich schnell bewegen.

Wer die Motivation von Wissenschaftlern wie Ferenc Krausz im historischen Kontext verstehen will, landet beim Pferd. Jahrhunderte gab es Streit über die Frage, ob es beim Galopp alle vier Hufe vom Boden löst. Generationen von Malern haben sich der Thematik gewidmet. Eadweard Muybridge hat das Rätsel gelöst: Ja, für einen kurzen Moment sind alle vier Hufe in der Luft.

Muybridge gelang es 1878, alle Phasen des Pferdegalopps erstmals in schnellen Schnappschüssen einzufrieren. Seitdem haben Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Vorgängen, die zu schnell für unser Auge ablaufen, unser Wissen erheblich erweitert. In den Naturwissenschaften ist die Entschlüsselung ultraschneller Prozesse im Reich der Atome und Elementarteilchen sogar essenziell.

Elektronen verhielten sich wie Hütchenspieler

Im Fokus der Garchinger Attosekundenforschung steht das Elektron. „Es kommt praktisch überall vor“, sagt Krausz und weist damit auf die Übermacht dieses negativ geladenen Elementarteilchens hin. Obwohl Elektronen selbst aus der Perspektive der Nanowelt extrem klein sind, kitten sie als Quantenkleber die Atome zur Materie in den vielfältigen Formen unserer Welt zusammen. Elektronen übernehmen überdies die Hauptrollen in chemischen Reaktionen, weil neue Substanzen stets dadurch entstehen, dass sie zwischen verschiedenen Atomen verschoben werden. Allerdings agieren die Elementarteilchen dabei so schnell, dass sich ihr Treiben bis vor Kurzem nicht direkt verfolgen ließ.

Für die Forschung verhielten sich Elektronen also lange wie Hütchenspieler, die Zuschauer mit Schnelligkeit austricksen. Die Quantenmechanik kann ihr Verhalten zwar theoretisch beschreiben, allerdings vor allem die Anfangs- und Endsituation der elektronischen Hütchenspiele. Das galt lange auch für Experimente: Das eigentliche Spiel der Elektronen blieb verborgen. Diese Wissenslücke war nicht nur aus Sicht der Grundlagenforschung unbefriedigend, sie behindert zudem bis heute neue Entwicklungen für die Praxis. Ein Beispiel bilden Katalysatoren, die chemische Reaktionen effizienter ablaufen lassen. Systematisch lässt sich das jeweils beste Material für die chemische Hilfestellung nur identifizieren, wenn Forscher verstehen, wie genau ein Katalysator den Elektronentransfer beeinflusst.

Als in den 1970er-Jahren die Laser immer leistungsfähiger wurden, kam deshalb eine bestechende Idee auf: Vielleicht ließen sich mit extrem kurzen Laserpulsen Schnappschüsse chemischer Reaktionen aufnehmen, so wie einst Muybridge die Phasen des Pferdegalopps ablichtete. „Aus zu verschiedenen Zeiten aufgenommenen Einzelbildern kann man dann einen Film erstellen, der den genauen Ablauf der Reaktion zeigt“, erklärt Krausz.

Mit diesem Ansatz entstand ein neues Forschungsgebiet; es basiert auf einer Methode, die Pump-Probe-Verfahren heißt. Dabei startet ein erster Laserblitz einen Prozess, etwa eine chemische Reaktion, und nach einer bewusst gewählten Wartezeit macht ein zweiter Blitz einen Schnappschuss. Indem die Wissenschaftler die Reaktion wiederholen und die Wartezeit zwischen Pump-und Probe-Laserpuls variieren, erhalten sie die Einzelbilder eines Prozesses. Diese können sie anschließend zu einem Film zusammensetzen.

In den 1990er-Jahren war diese Experimentiertechnik so weit ausgereift, dass sie völlig neue Einblicke in die Natur lieferte. Sie machte erstmals die Bewegung von Atomen in Molekülen sichtbar. Für diese Pionierleistung erhielt der aus Ägypten stammende USamerikanische Physikochemiker Ahmed Zewail 1999 den Nobelpreis für Chemie.

Doch gleichzeitig lief die bis dahin rasante Entwicklung hin zu immer kürzeren Verschlusszeiten für die einzelnen Aufnahmen gegen eine Wand. Die Technik konnte zwar Prozesse in Zeitlupe darstellen, die in wenigen Femtosekunden ablaufen. Damit ließen sich nur die Bewegungen von Atomen filmen, nicht aber jene der viel leichteren und schneller agierenden Elektronen. Um sie in Schnappschüssen einzufrieren, brauchte es eine radikal neue Attosekunden-Blitztechnik.

Um die Jahrtausendwende schaffte es Ferenc Krausz, damals noch an der TU Wien, als Erster, die Mauer in den Attosekundenbereich hinein zu durchbrechen. Seitdem gelingt es immer besser, das Spiel der Elektronen zu filmen. Damit entstand ein neues Forschungsgebiet. Inzwischen nehmen die Garchinger Aufnahmen aus der rasanten Elektronenwelt. Doch warum gab es diese technische Hürde der Ultrakurzzeitforschung?

Femtosekunden-Laserlicht rüttelt die Atome durch

„Das hat mit der Farbe des Lichts, also seiner Wellenlänge, zu tun“, erklärt Krausz. Ein Lichtpuls kann erst dann durch den Raum wandern, wenn er mindestens einen Wellenberg und ein Wellental umfasst. Nur Pulse aus einem solchen vollständigen Wellenzug sind in sich so stabil, dass sie ihren Weg vom Laser zur Probe zurücklegen, ohne völlig zu zerfließen. Sobald ein Wellenzug aber in eine Zeitspanne von einigen Attosekunden gequetscht werden soll, muss seine Wellenlänge kurz genug sein.

„Für Pulse mit einer Dauer unterhalb einer Femtosekunde braucht man schon extrem ultraviolettes Laserlicht“, sagt Krausz, „zur Erzeugung noch kürzerer Pulse führt an Röntgenlicht kein Weg vorbei.“ Und genau das war das Problem: Es gab lange Zeit keine Laser, die Licht in diesem kurzwelligen Spektralbereich produzieren konnten. Erst in den letzten Jahren dringen sogenannte Freie-Elektronen-Laser dorthin vor. Ihr Nachteil: Sie sind auf kilometerlange Teilchenbeschleuniger angewiesen, also riesige, teure Großforschungsanlagen.

In den 1990er-Jahren stellte sich Krausz – wie einst Muybridge – der Herausforderung, diese Hürde mithilfe der vorhandenen Technik zu nehmen. Muybridge kombinierte seine Plattenkamera-Ungetüme damals zu einer langen Batterie, die von einem vorbeigaloppierenden Pferd nacheinander ausgelöst wurden. So gelang es, jede Phase des Galopps auf einem Foto abzulichten.

Krausz musste mit der Femtosekunden-Lasertechnik auskommen, die zu langwellig war. Er kam auf die Idee, die hochintensiven Laserpulse auf Edelgasatome zu schießen. Das Femtosekunden-Laserlicht rüttelt die Atome durch und zwingt sie, einen Blitz im ultravioletten oder im Röntgenbereich auszusenden. Weil die Atome präzise im Takt des anregenden Femtosekunden-Laserpulses schwingen, hat dieses kurzwellige Licht sogar die reine, perfekte Qualität von Laserlicht. Mit diesem Trick drang Krausz erstmals in den Attosekundenbereich vor. Abbildung 3.

Abbildung 3. Elektronen auf der Durchreise: Attosekundenblitze von extrem ultraviolettem Licht (violett) katapultieren Elektronen aus den Atomen eines Wolframkristalls (grün). Mit infraroten Laserpulsen (rot) haben die Garchinger Forscher gemessen, dass ein Elektron 40 Attosekunden braucht, um eine einzelne Lage von Magnesiumatomen (blau) über dem Wolframkristall zu durchqueren

Der kürzeste Garchinger Blitz dauert 72 Attosekunden

Die Garchinger haben ihre Attosekundenanlagen inzwischen immer weiter verbessert. 2004 hielt Krausz’ Gruppe noch mit 650 Attosekunden den Weltrekord für den kürzesten Lichtpuls, heute blitzen die besten Experimente rund zehnmal schneller. „Mit Martin Schultzes Team sind wir hier in Garching jetzt bei 72 Attosekunden angelangt“, sagt Krausz, „aber seit 2012 hält Zenghu Changs Gruppe an der University of Central Florida den Weltrekord mit nur 67 Attosekunden.“ Den Max-Planck-Direktor stört es nicht, dass die Garchinger den Rekord verloren haben – im Gegenteil. „Das zeigt, dass unser Forschungsfeld auf wachsendes Interesse stößt“, freut er sich. Schließlich geht es nicht um Rekorde, sondern um immer feinere Werkzeuge, um die schnellsten Bewegungen im Mikrokosmos zu erforschen.

Zu den ersten Untersuchungsobjekten der Attosekunden-Metrologie oder Attosekunden-Chronoskopie, wie die Garchinger ihre Technik nennen, gehörten die Bewegungen der Elektronen in einzelnen Atomen und Molekülen. Seit einigen Jahren sind jedoch weitaus komplexere Elektronenwelten in den Fokus der Forscher gerückt: kristalline Festkörper. In vielen anorganischen Materialien ordnen sich die Atome zum regelmäßigen, räumlichen Gitter eines Kristalls an. Kristalle kommen in der Natur vielfältig vor, so bilden auch die für unzählige Anwendungen nützlichen Metalle und Halbleiter Kristalle.

Mit der neuen Attosekunden-Messtechnik hat das Team von Reinhard Kienberger gerade in Echtzeit erfasst, wie Elektronen durch eine einzelne Lage von Metallatomen flitzen. Diese Passage ist sowohl für die Physik als auch für die Technik von zentraler Bedeutung. Ihre direkte Beobachtung kann helfen, eines Tages wesentlich schnellere elektronische Schaltelemente und Mikroprozessoren zu entwickeln.

Grundlagenforscher interessieren sich für das komplexe Verhalten der Elektronen in Kristallen, weil die Elementarteilchen darin zwei ganz zentrale Wirkungen haben, die zusammen viele Materieeigenschaften bedingen. So bindet ein Teil der Elektronen die Atome zum Kristallgitter zusammen. Sie formen gewissermaßen den Quantenkitt der Materie. Für die zweite Wirkung sorgen Elektronen, die sich von ihren ursprünglichen Atomen lösen können. Sie flitzen etwa in Metallen einigermaßen frei durchs Kristallgitter und können so elektrischen Strom transportieren. Diese Leitungselektronen haben zudem großen Einfluss auf die mechanischen und optischen Eigenschaften eines Materials und seine Fähigkeit, Wärme zu leiten.

In vielen Kristallen gibt es aber keine Leitungselektronen. Diese Materialien heißen deshalb Isolatoren, ein Beispiel ist Quarz. Zwitter zwischen Isolatoren und elektrischen Leitern stellen die Halbleiter dar. Halbleiter haben als Baustoff der Elektronik unsere Kultur radikal verändert. In ihnen brauchen die Elektronen einen kleinen Schubs, damit sie als Leitungselektronen fließen können. Um dieses Verhalten zu verstehen, muss man ein Elektron als Quantenteilchen betrachten.

Da ein Elektron auch eine elektromagnetische Welle darstellt, besitzt es eine Wellenlänge. Diese ist mit seiner Bewegungsenergie verknüpft – ein bisschen wie das Geräusch eines Rennwagens mit seiner Motordrehzahl. Wenn ein Elektron sich frei durch ein Kristallgitter bewegen will, muss seine Wellenlänge zum räumlichen Raster der Atome passen. Das trifft nur für einen bestimmten Bereich von Wellenlängen – und damit Energie – zu. Dieser Bereich bildet eine Art Autobahn, auf der die Elektronen durch den Kristall rasen können. In diesem Leitungsband fließt bei Metallen immer reger Elektronenverkehr. Bei Halbleitern dagegen hängen auch die beweglichsten Elektronen an ihren Atomen fest. Erst mit einem Energiekick schaffen sie den Quantensprung ins Leitungsband. Das wird zum Beispiel bei Schaltvorgängen in Transistoren genutzt.

Macht starkes Licht einen Quarzkristall leitfähig?

Bei Isolatoren allerdings müsste dieser Energiekick so heftig sein, dass er das Material zerreißen würde. Könnte man trotzdem einen Isolator dazu bringen, leitfähig zu sein – und sei es nur für kurze Zeit? Und: Wäre das auch technisch interessant?

Das fragte sich ein Garchinger Attosekundenteam, in dem Elisabeth Bothschafter und Martin Schultze ihre Doktorarbeiten machten. Um eine Antwort zu finden, brauchten die Laserphysiker versierte Experten für Kristalle an ihrer Seite. Diese Festkörperphysiker fanden sie in der Gruppe des Theoretikers Mark Stockman von der Georgia State University in Atlanta, USA. Für den engen Kontakt sorgte der Amerikaner Augustin Schiffrin, der gerade nach Garching gewechselt war, um dort ebenfalls Attosekunden-Experimente zu machen.

Das Forscherteam untersuchte in den Garchinger Labors an Quarz, ob dieser Isolator unter dem Beschuss mit extrem starken Femtosekunden-Lichtblitzen kurzzeitig leitfähig werden kann – ohne zerstört zu werden. Auch der Einfluss der Lichtblitze auf dessen optische Eigenschaften interessierte die Forscher. Diese momentane Veränderung verfolgten sie mit noch kürzeren Attosekundenblitzen. Bothschafter und Schultze entwickelten dafür ein Experiment, für das die Garchinger ihren hausinternen Rekord auf nur 72 Attosekunden Pulsdauer herunterschraubten. Diese Attosekundenblitze schickten die Forscher synchron zu den Femtosekunden-Lichtpulsen auf ihre Probe. Damit verfügten sie über das passende Präzisionswerkzeug, um die genaue Form der verwendeten Femtosekunden-Laserpulse genau abzutasten. Das war entscheidend, um die durch diese Pulse im Quarz verursachte Veränderung richtig zu deuten.

Quarz überlebt das kurze elektrische Inferno

Zudem analysierten die Physiker mit den Attoblitzen in Echtzeit, was in der nur knapp 200 Nanometer dünnen Quarzprobe unter dem Lichtbeschuss im Detail passierte. Dort erzeugte der intensive Femtosekunden-Laserpuls, bei dem es sich um eine elektromagnetische Welle handelt, ein extrem starkes elektrisches Feld. Martin Schultze vergleicht es mit dem Feld einer Überland-Hochspannungsleitung, das zwischen zwei Elektroden anliegt, die nur wenige tausendstel Millimeter voneinander entfernt sind. Jedes bekannte Material würde dabei sofort verdampfen.

Abbildung 4. Licht erzeugt Strom: Mit einem sehr intensiven dunkelroten Laserblitz machen Max-Planck-Physiker ein Quarzprisma, das sie auf zwei Seiten mit Goldelektroden bedampft haben, vorübergehend leitfähig. Mit einem zweiten, wesentlich schwächeren Puls schieben sie die kurzzeitig mobilen Elektronen zu einer Elektrode – Strom fließt.

Der Quarz überlebte dieses elektrische Inferno allein deshalb, weil es in ihm nur für wenige Femtosekunden tobte. Er war schlicht zu träge, um es zu bemerken. Bevor seine Atome auseinanderdriften konnten, war es längst vorbei. Allerdings sah es bei den Elektronen anders aus. Einige von ihnen folgten dem Feld des Femtosekundenpulses wie Hunde an der Leine. Sie erzeugten somit vorübergehend einen elektrischen Strom im Quarz, der am Ende des Femtosekundenblitzes sofort wieder abklang. Danach war der Quarz wieder ein normaler Isolator. Abbildung 4.

„Die Leitfähigkeit lässt sich also mit dem Lichtpuls in der unvorstellbar kurzen Zeitspanne von wenigen Femtosekunden nicht nur an-, sondern auch wieder ausschalten“, sagt Krausz. Letzteres war entscheidend, denn das passiert in Halbleitern nicht. Abbildung 5.

Stockmans Gruppe zeigte, dass die Elektronen sich dabei nach einem völlig anderen Mechanismus bewegen als in Halbleitern. Dort lassen sie sich zwar auch innerhalb von Femtosekunden ins Leitungsband kicken. Aber dann verharren sie darin aus Sicht der Attosekundenphysik eine Ewigkeit, nämlich ungefähr tausend- bis zehntausendmal länger als eine Femtosekunde. Im Quarz jedoch folgen die Elektronen unmittelbar dem elektrischen Lichtfeld von ihren Atomen weg und springen ebenso rasch wieder zurück, sobald das Feld abklingt. Die Forscher erhielten auf diese Weise also einen elektrischen Schalter, der extrem schnell wirkt, nämlich innerhalb von Femtosekunden.

Abbildung 5. Ein nur wenige Nanometer dickes Quarzglas, das in einen schwarzen Rahmen eingespannt ist (Bildmitte), wird durch einen roten Laserpuls leitfähig. Mit einem anschließenden Attosekundenpuls lässt sich messen, wie schnell das Quarzglas wieder zum Isolator wird.

Die Garchinger Physiker und ihre Kooperationspartner widmen sich diesen Vorgängen zunächst als Grundlagenforscher, und sie haben dabei etwas völlig Neues aufgespürt: So einen exotischen Zustand hat zuvor noch niemand in einem Isolator erzeugt. Langfristig könnte diese Entdeckung aber auch die Elektronik revolutionieren. Das relativ träge Verharren der Elektronen im Leitungsband von Halbleitern begrenzt nämlich die Geschwindigkeit, mit der herkömmliche Transistoren schalten können. Im Labor kommen konventionelle Transistoren mit extrem kleinen Nanostrukturen zwar schon auf hundert Milliarden Schaltungen pro Sekunde. Das ist grob eine Größenordnung schneller als die heute etablierten Computer-Mikroprozessoren.

„Mit unserer Entdeckung wären aber nochmals um den Faktor zehntausend schnellere Schaltzeiten möglich“, bilanziert Krausz. Damit könnten Computer ungeheure Datenmengen in Echtzeit verarbeiten. Allerdings müsste es dazu auch gelingen, die metergroßen Kurzpulslaser, die den Schaltvorgang antreiben, zu miniaturisieren. „Deshalb – und auch aus einigen anderen Gründen – ist das derzeit erst einmal eine spannende Zukunftsperspektive“, betont Krausz.

Für ihn als Max-Planck-Wissenschaftler steht der Erkenntnisgewinn im Fokus. Mit der neuen Attosekunden-Messtechnik hat das Team von Reinhard Kienberger gerade in Echtzeit erfasst, wie Elektronen durch einzelne Atomlagen eines Kristallgitters flitzen. Diese „Reise“ ist für Physik und Technik von zentraler Bedeutung. Die direkte Beobachtung kann entscheidend helfen, eines Tages wesentlich schnellere elektronische Schaltelemente und Mikroprozessoren zu entwickeln.

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[1] Hentschel, M., Kienberger, R., Spielmann, C. et al. Attosecond metrology. Nature 414, 509–513 (2001). https://doi.org/10.1038/35107000

[2] Roland Wengenmayr, 09.03.2023: Technologie aus dem Quantenland mit unzähligen Anwendungsmöglichkeiten. 

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* Der Artikel ist erstmals unter dem Title: "Klappe für den Quantenfilm"https://www.mpg.de/9221304/F002_Fokus_024-031.pdf im Forschungsmagazin der Max-Planck-Gesellschaft 1/15 erschienen und wurde mit Ausnahme des Titels und Abstracts unverändert in den Blog übernommen. Die MPG-Pressestelle hat freundlicherweise der Veröffentlichung von Artikeln aus dem Forschungsmagazin auf unserer Seite zugestimmt. © Max-Planck-Gesellschaft -

 

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Weiterführende Links

The Nobel Prize in Physics 2023: Popular information. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/popular-information/

The Nobel Prize in Physics 2023: Advanced information. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/advanced-information/

MPG: Laser - Der schnellste Blitz der Welt. Video 8:30 min. (2012) https://www.youtube.com/watch?v=6zxzJqvzZMY

MPG: Wie kurz ist eine Attosekunde? Video 2:49 min. https://www.youtube.com/watch?v=FR21qcg856g . copyright www.mpg.de/2012

FU Berlin: 21st Einstein Lecture: Prof. Dr. Ferenc Krausz | Elektronen und Lichtwellen - gemeinsam gegen Krebs (2.12.2022) Video: 1:31:41. https://www.youtube.com/watch?v=J-ynY3YNpkM

Ferenc Krausz, Nobelpreis für Physik 2023. Pressekonferenz 03.10.2023: Video 24:06 min. https://www.youtube.com/watch?v=9FZvFnurOnA

Do. 28.09.2023 — Manuel Liebeke

Auf alten Karten findet sich häufig die Bezeichnung „terra incognita“ – unbekanntes Land. Bis heute sind große Teile der Weltmeere unerforscht, „mare incognitum“ sozusagen. In den Meeren gibt es also immer noch jede Menge Neues zu entdecken. Prof. Dr. Manuel Liebeke, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, und sein Team erforschen Seegraswiesen. Obwohl diese Ökosysteme nur eine kleine Fläche des Ozeans bedecken, binden sie durch Photosynthese große Mengen atmosphärischen Kohlendioxids und sondern Berge von Zuckerverbindungen in den Meeresboden ab.*

Seegräser wachsen an den meisten Küsten der Weltmeere. Ähnlich wie Landpflanzen binden die Gräser durch Photosynthese Kohlendioxid und wandeln es in neue, größere Kohlenstoffverbindungen um. Obwohl sie nur 0,2 Prozent der Meeresfläche bedecken, produzieren Seegräser etwa zehn Prozent der in den Ozeanen versinkenden Kohlenstoffverbindungen. Sie leisten somit einen erheblichen Beitrag für den Kohlenstoffhaushalt der Meere und des gesamten Planeten.

Seegräser geben einen Teil des von ihnen gebundenen Kohlenstoffs meist als Zuckerverbindungen über ihre Wurzeln an den Meeresboden ab. Auch viele Landpflanzen sondern aus ihren Wurzeln Zucker ab. Im Boden lebende Pilze und viele Mikroorganismen erfreuen sich an diesen für sie lebenswichtigen Kohlenhydraten. Manche dieser Mikroben stellen den Pflanzen im Gegenzug Mineralien und andere anorganische Substanzen zur Verfügung. Abbildung 1.

Abbildung 1. Kohlenstoffkreislauf in Seegras-Sedimenten. Seegräser geben einen Teil des von ihnen gebundenen Kohlenstoffs meist als Zuckerverbindungen über ihre Wurzeln an den Meeresboden ab. Davon verbrauchen die Mikroorganismen in der Rhizosphäre nur wenig- sie werden offensichtlich von - ebenfalls von Seegräsern produzierten - phenolischen Verbindungen (weiße Strukturen) gehemmt.

Solche schon vor über 100 Jahren als Rhizosphäre bezeichneten Bodenökosysteme sind inzwischen sehr gut erforscht und die Symbiosen zwischen Landpflanzen und den im Boden lebenden Mikroorganismen dokumentiert. Dagegen ist über pflanzliche Zuckerausscheidungen im Meeresboden und deren potenzielle Wechselwirkungen mit Mikroben nur sehr wenig bekannt. Mein Team und ich wollen diese Lücke schließen. In verschiedenen Meeresregionen haben wir Wassersproben im Sediment unter den Seegraswiesen genommen und die darin vorkommenden, von den Pflanzen abgegebenen Stoffwechselprodukte analysiert. Unsere Analysen zeigen, dass unterhalb von Seegraswiesen viel Rohrzucker (Saccharose) vorkommt. Die Konzentrationen erreichen in einigen Sedimenten je nach Tiefe sehr hohe (millimolare) Werte. Der Rohrzucker macht bis zu 40 Prozent des von den Wurzeln der Seegräser abgegebenen organischen Kohlenstoffs aus. Dessen Konzentration im Boden schwankt im Tagesverlauf und je nach Jahreszeit. Bei sehr starkem Lichteinfall, zum Beispiel zur Mittagszeit oder im Sommer, produzieren Seegräser mehr Zucker, als sie verbrauchen oder speichern können. Dann geben sie die überschüssige Saccharose einfach an den Boden ab.

Mikroben im Boden verbrauchen wenig Saccharose

Warum aber lagern Seegräser so viel Saccharose in den Sedimenten ab? Handelt es sich vielleicht um eine Art Überfluss-Stoffwechsel, weil ihnen essenzielle Substrate zum Aufbau anderer Kohlenhydrate fehlen? Die meisten Mikroorganismen an Land und im Meer können Saccharose leicht verdauen und daraus viel Energie für sich gewinnen. Wir haben jedoch bei unseren Untersuchungen festgestellt, dass viele der in der Seegras-Rhizosphäre vorkommenden Mikroorganismen vergleichsweise wenig Saccharose beanspruchen. Dies könnte die von uns beobachtete Anreicherung des Zuckers im Sediment erklären. Oder vielleicht fehlen den Mikroben die Stoffwechselwege, die sie für die Verdauung von Saccharose benötigen?

Möglich ist aber auch, dass die Seegräser Stoffwechselprodukte absondern, die das Wachstum der Mikroorganismen bremsen. Unser Verdacht: Es könnte sich um phenolische Verbindungen handeln. Phenolartige Substanzen kommen in verschiedensten Pflanzenarten vor, zum Beispiel in Weintrauben, Kaffeebohnen und Obst. Diese Stoffe hemmen den Stoffwechsel von Mikroorganismen und wirken dadurch antimikrobiell – vermutlich ihre eigentliche Aufgabe für die Gesundheit der jeweiligen Pflanze.

Seegräser enthalten von Natur aus viele Phenole, etwa Kaffeesäure (3,4-Dihydroxyzimtsäure), die sie an ihre Umgebung abgeben könnten. Im Meerwasser rund um Seegraswiesen konnten wir dann phenolische Verbindungen nachweisen, die aus pflanzlichen Polymeren gebildet werden. Um zu prüfen, ob die in der Umgebung von Seegräsern vorkommenden Mikroorganismen von diesen Phenolen gehemmt werden, haben wir auf der Mittelmeerinsel Elba Bodenproben von unterhalb der Seegraswiesen genommen und mit aus Seegras isolierten Phenolen sowie Saccharose in Kontakt gebracht. Unsere Messungen zeigen, dass die Mikroben in den Bodenproben nach Zugabe der phenolischen Substanzen viel weniger Saccharose konsumiert haben, dies war besonders deutlich bei Versuchen ohne Sauerstoff. Der Zuckergehalt blieb also entsprechend hoch, ähnlich unseren Beobachtungen direkt aus der Seegraswiese.

Abbildung 2. Üppige Seegraswiesen von Posidonia oceanica im Mittelmeer. Das Team des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie geht davon aus, dass seine Erkenntnisse auch für andere Seegrasarten sowie Mangroven und Salzwiesen relevant sind.

Als Nächstes haben wir die im Sediment vorhandenen Nukleinsäuren isoliert und sequenziert. Auf diese Weise konnten wir alle Arten von Mikroorganismen anhand ihres Erbguts identifizieren und klassifizieren, welche Stoffwechselgene sie besitzen. Trotz der toxischen Phenole scheint eine kleine Gruppe mikrobieller Spezialisten sowohl Saccharose verdauen als auch Phenole abbauen zu können. Wir vermuten, dass diese von uns entdeckten Mikroorganismen nicht nur auf den Abbau von Zucker und Phenolen spezialisiert sind. Wahrscheinlich sind sie für das Seegras auch nützlich, weil sie Nährstoffe produzieren, welche die Pflanzen für ihr Wachstum dringend brauchen. Der Kohlenstoffkreislauf in Seegras-Sedimenten unterscheidet sich somit von dem auf dem Land und auch von den Kohlenstoffkreisläufen im freien Meerwasser, wo Mikroben Saccharose schnell abbauen.

Phenole in anderen Ökosystemen

Phenolverbindungen kommen höchstwahrscheinlich auch in anderen Ökosystemen in größeren Mengen vor. Wir untersuchen zurzeit die Zusammensetzung von gelöstem Kohlenstoff in Salzmarschen und Mangrovenwäldern. Abbildung 2. Innerhalb der Deutschen Allianz Meeresforschung beteiligt sich unser Institut an Forschungsvorhaben, welche die deutschen Küstenregionen in den Fokus rücken. Vergleichsstudien und Probenahmen in tropischen Ländern ergänzen das Projekt. Zudem wird untersucht, wie stabil Kohlenwasserstoffe bei starkem UV-Licht oder erhöhten Temperaturen sind. Diese Umweltfaktoren sind für das weitere Schicksal des Kohlenstoffs im großen Meereskreislauf entscheidend.

Das Ziel ist, Küstenökosysteme zu erhalten, die langfristig möglichst viele stabile Kohlenstoffverbindungen produzieren und so den Anstieg des Gehalts an Kohlendioxid in der Atmosphäre in Schach halten. Auch eine „Wiederaufforstung“ zerstörter Flächen mit Seegras wäre denkbar, wenn es die Beschaffenheit der Küsten zulässt.

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 *Der unter Highlights aus dem Jahrbuch 2022 der Max-Planck Gesellschaft unter dem Titel " Süße Oasen im Meer" erschienene Artikel https://www.mpg.de/20478773/jahrbuch-highlights-2022.pdf (2023) wird - mit Ausnahme des Titels und der Legende zu Abbildung 1- in praktisch unveränderter Form im ScienceBlog wiedergegeben. Die MPG-Pressestelle hat freundlicherweise der Veröffentlichung von Artikeln aus dem Jahrbuch auf unserer Seite zugestimmt. (© 2023, Max-Planck-Gesellschaft)

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Weiterführende Links

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie: Miracle plant seagrass (2022).  Video 2:07 min. https://www.youtube.com/watch?v=iWm2lkK062Q.

The Biome Project: Seagrasses - Ecology In Action (2022). Video 6:59 min. https://www.youtube.com/watch?v=0bvOh7qby-c

International Field Studies: Seagrass Ecosystem Webinar (2020). Video 22:00 min. https://www.youtube.com/watch?v=3j82byN7HGs

Artikel zu verwandten Themen im ScienceBlog:

• Redaktion, 17.06.2023: Mikroorganismen spielen eine entscheidende Rolle bei der Kohlenstoffspeicherung in Böden
• Knut Ehlers, 01.04.2016: Der Boden - ein unsichtbares Ökosystem
• Rattan Lal, 27.11.2015: Boden – Der große Kohlenstoffspeicher
• Rattan Lal, 11.12.2015: Der Boden – die Lösung globaler Probleme liegt unter unseren Füßen
• Redaktion, 26.06.2015: Die Erde ist ein großes chemisches Laboratorium – wie Gustav Tschermak vor 150 Jahren den Kohlenstoffkreislauf beschrieb

So24.09.2023  — Inge Schuster

Coenzym Q10 (CoQ10) ist eine unentbehrliche Komponente unseres Zellstoffwechsels; es ist in allen unseren Körperzellen vorhanden (vom ubiquitären Vorkommen leitet sich die Bezeichnung Ubichinon ab) und wird - mit Ausnahme der roten Blutkörperchen - auch in allen Zellen produziert. CoQ10 fungiert als Elektronen-und Protonenüberträger in der mitochondrialen Atmungskette und schützt als potentes Antioxidans vor reaktiven Sauerstoffspezies. CoQ10-Mangel kann zur Entstehung diverser Krankheiten beitragen bzw. diese auslösen. In zahlreichen Studien wurde und wird versucht den Mangel durch Supplementierung mit CoQ10 aufzuheben, um Krankheiten zu lindern/zu heilen. Einige Studien lassen berechtigte Hoffnung auf Erfolg aufkommen.

Was ist CoQ10?

Chemisch gesehen ist CoQ10 ein relativ großes, aus zwei unterschiedlichen Teilen zusammengesetztes organisches Molekül. Es besteht aus dem Redoxsystem des Chinon-/Chinol -Rings, das die funktionelle Gruppe des Coenzyms darstellt und aus einer langen enorm lipophilen (fettlöslichen) Seitenkette aus Isoprenresten - beim Menschen sind das hauptsächlich 10 Reste -, mit der sich das Molekül in die diversen Lipidmembranen der Zelle und in die Lipoproteine des Serums einfügt. CoQ10 findet sich vor allem in der Matrix der Mitochondrien, aber auch in den Membranen des Golgi-Apparats, des endoplasmischen Retikulums, der Lysosomen, der Peroxisomen und in der die Zelle umschliessenden Plasmamembran.

CoQ10 gehört zu den lipophilsten Strukturen in unserem Organismus - in wässrigem Milieu ist es praktisch unlöslich (gelöster Anteil weniger als 0,1 Milliardstel Substanz). Abbildung 1.

Abbildung 1. Coenzym Q10 - chemische Struktur des Redoxsystems. Das enorm lipophile Molekül liegt im menschlichen Organismus zu über 90 % mit einer aus 10 Isoprenresten bestehenden Seitenkette vor, unter 10 % weisen eine Seitenkette aus 9 Isoprenresten auf. Das Ring-Strukturelement (rot) ist die aktive funktionelle Gruppe des Coenzyms, ein Redoxsystem, das unter Aufnahme von 2 Elektronen und 2 Protonen zum Chinol reduziert wird, aus welchem unter Abgabe von Elektronen und Wasserstoff wieder das oxydierte Produkt - Ubichinon-10 - entsteht.

Biosynthese von CoQ10

Alle unsere Zellen sind auf die endogene Synthese von CoQ10 angewiesen. Die mit der Nahrung aufgenommenen Mengen (üblicherweise bis zu 6 mg im Tag und dies hauptsächlich über den Fleischkonsum) können den hohen permanenten Bedarf an CoQ10 nicht decken.

Die Biosynthese erfolgt in 4 Stufen, an denen mindestens 11 Enzyme und andere Proteine beteiligt sind. Zuerst werden die Vorstufe des Ringelements und die Isopren-Seitenkette separat gebildet, der Ring ausgehend von der Aminosäure Tyrosin, die Lipidkette über den Mevalonsäure-Weg (auf dem auch die Synthese von Cholesterin ihren Ausgang nimmt) und die sukzessive Addierung von Isoprenresten. Dann werden Ring und Seitenkette zusammengefügt und schließlich der Ring schrittweise zur Ubichinon-Form modifiziert.

Mit Ausnahme einiger Reaktionen zu Beginn der Biosynthese findet der gesamte Vorgang in der inneren Membran der Mitochondrien statt, wobei die daran beteiligten Proteine einen großen Komplex - das sogenannte CoQ-Synthom - bilden. Abbildung 2. Das neu entstandene CoQ10 lagert sich in der mitochondrialen Membran ein - ein Pool, der dort nicht nur für die essentielle Funktion in der Atmungskette (siehe unten) zur Verfügung steht; CoQ10 wird aber auch in andere Zellorganellen transportiert und zirkuliert in der Blutbahn.

Biologische Funktionen von CoQ10

Lipidlöslichkeit und Redox-Eigenschaften erklären die vielfältigen (pleiotropen) Funktionen von CoQ10 in biologischen Systemen. Wie bereits erwähnt lagert sich CoQ10 in allen Lipidmembranen der Zellen ein und kann dort als mobiler Elektronen-und Protonenüberträger (siehe Abbildung 1) und als potentes Antioxidans fungieren. Als wichtigstes Beispiel für den Elektronen-/Protonentransport soll die Schlüsselrolle von CoQ10 in der mitochondrialen Atmungskette kurz skizziert werden.

Atmungskette: wie Nahrung in Energie umgewandelt wird

Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zellen, die bis zu 95 % der für Zellwachstum und Zelldifferenzierung nötigen Energie produzieren. In diesem Prozess der Energieerzeugung ist CoQ10 eine essentielle Komponente: Es fungiert im Elektronentransport-System der Atmungskette als mobiler Elektronen- und Protonenüberträger zwischen den membrangebundenen Proteinkomplexen I , II und III, die schlussendlich zur Bildung des universellen biologischen Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP) führen. Abbildung 2 zeigt eine sehr vereinfachte Darstellung dieses Elektronentransportsystems (über die folgende Beschreibung des für Laien nicht leicht verständlichen Vorgangs kann auch hinweg gelesen werden):

Coenzym Q10 in der oxydierten Chinonform (siehe Abbildung 1) nimmt in den Proteinkomplexen I und II Reduktionsäquivalente (Elektronen) auf und wird dadurch zur Chinolform reduziert; die Elektronen stammen dabei aus dem ebenfalls in den Mitochondrien lokalisierten Citratzyklus, der Produkte der im Stoffwechsel abgebauten Nährstoffe in Reduktionsmittel umwandelt; Elektronen können aber auch durch Überträger aus anderen mitochondrialen Prozessen eingespeist werden. Die reduzierte Ubichinol-Form überträgt im Proteinkomplex III (Cytochrom C-Reduktase) die Elektronen auf Cytochrom C, die Protonen werden vom mitochondrialen Matrixraum in den Intermembranraum transloziert. Im Komplex IV (Cytochrom C-Oxidase) dienen die vom Cytochrom C transportierten Elektronen und Protonen zur Reduzierung des aus der Atmung stammenden Sauerstoffs unter Bildung von Wasser. Dabei werden weitere Protonen in den Intermembranraum gepumpt und ein elektrochemischer Gradient zwischen Intermembranraum und Matrix erzeugt, der schließlich den Aufbau des energiereichen ATP-Moleküls (via ATP-Synthase) treibt.

Abbildung 2. CoQ10 wird in den Mitochondrien produziert und spielt dort eine Schlüsselrolle in der Energieerzeugung über die Atmungskette. Oben: Vereinfachte Darstellung des Biosynthese-Komplexes - CoQ-Synthom - mit Enzymen (blau) und regulatorischen Proteinen (lila), wobei nur die Ziffern in den Namen der COQ-Proteine (z.B. 2 für COQ2) angezeigt sind. Unten: Schema des Elektronentransportsystems der Atmungskette mit CoQ10 (gelb), das Elektronen von Komplex I und II empfängt und auf Komplex III überträgt. Die weitere Übertragung auf Komplex IV resultiert in der Reduktion des aus der Atmung stammenden Sauerstoffs unter Bildung von Wasser. Der Protonengradient treibt die ATP-Synthese.(Bild leicht modifiziert aus: Y. Wang & S.Hekimi, J Cell Mol Med. 2022;26:4635–4644. Lizenz: cc-by.)

Ubichinol - als potentes Antioxidans

In seiner reduzierten Ubichinol-Form ist CoQ10 ein sehr effizientes Antioxidans, das vor der Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) schützt, freie Radikale verhindert, die Peroxidation von Lipiden und Lipoproteinen blockiert und andere Antioxidantien wie Ascorbinsäure oder Vitamin E zu ihren aktiven, völlig reduzierten Formen regeneriert.

Der Schutz vor ROS ist insbesondere in den Mitochondrien von Bedeutung, da der intensive, permanente Energieerzeugungsprozess als Nebenprodukte ROS liefert: Aus dem Sauerstoff den wir einatmen und der zu 80 % in der Atmungskette zu Wasser reduziert wird, entstehen auch 1 - 2 % reaktive Sauerstoffspezies (u.a. Superoxid Anion, Hydroxyl-Radikal, Hydroperoxyl-Radikal, Singlet Sauerstoff). Diese ROS können diverse Biomoleküle (Proteine, Lipide, DNA) gravierend schädigen - darunter die Proteine der CoQ10-Biosynthese und die mitochondriale DNA, die für einige Enzyme der Atmungskette kodiert. ROS können aber auch die Proteinkomplexe der Atmungskette direkt angreifen und (teilweise) inaktivieren. Insgesamt resultiert ein CoQ10-Mangel und Energieerzeugung und auch Verfügbarkeit von Ubichinol zur Abwehr der ROS werden reduziert.

Zahlreiche Studien belegen, dass oxydative Schädigungen zur Beeinträchtigung der mitochondrialen Funktion und in Folge zur Entstehung von diversen Krankheiten beitragen bzw.diese auslösen können. Ausreichend reduziertes CoQ10 in den Mitochondrien kann diese ROS unschädlich machen.

CoQ10 in unseren Organen....

CoQ10 ist in allen menschlichen Zellen und damit in allen Organen vorhanden, wobei der Großteil des Koenzyms in den jeweiligen Mitochondrien sitzt. Wieviele dieser kleinen Organellen in einzelnen Zelltypen enthalten sind, hängt von deren Energiebedarf ab und kann sich an diesen anpassen. Besonders viele Mitochondrien - mehrere Tausend - sind in einer einzelnen Herzmuskelzelle tätig - zusammengenommen nehmen sie mehr als ein Drittel des Zellvolumens ein. Dementsprechend liegen in diesem Organ , aber auch in anderen Organen mit sehr hohem Energiebedarf - Leber, Nieren und Muskeln - die höchsten CoQ10-Konzentrationen (Ubichinon und Ubichinol in Summe bis zu 190 µg/g) vor. Abbildung 3. Ein hoher Anteil an reduziertem CoQ10 schützt in vielen Organen vor dem unvermeidlichen Entstehen von reaktivem Sauerstoff.

Die Gesamtmenge von CoQ10 in unserem Körper kann mit einigen Gramm geschätzt werden.

Abbildung 3. Organspiegel von CoQ10 in oxydierter und reduzierter Form in verschiedenen Organen des Menschen. Die Grafik wurde aus Daten von A.Martelli et al., Antioxidants 2020, 9, 341; doi:10.3390/antiox9040341 (Lizenz cc-by) zusammengestellt..

Im Vergleich zu den Organen liegt der Plasmaspiegel von CoQ10 mit 0,5 - 1,5 µg/ml wesentlich niedriger, wobei nahezu alles in der reduzierten Ubichinolform vorliegt.

Ubichinol-10 zirkuliert ausschließlich in Lipoproteinen, vor allem in LDL eingelagert und kann hier vor der Oxidation von Lipoproteinen aber auch von Cholesterin zu Oxysterolen schützen und damit das Atherosklerose-Risiko senken.

Da Lipoproteinspiegel stark variieren können, erscheint es problematisch aus dem Plasmaspiegel von CoQ10 auf Organspiegel und eventuellen Mangel zu schließen.

...und CoQ10-Mangel

Eine reduzierte Synthese von CoQ10 führt nicht nur zu verminderter Energieproduktion und in Folge zur Schwächung von Organfunktionen, sondern auch zu reduziertem Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies und anderen Radikalen. Davon sind gewöhnlich mitochondrienreiche Organe mit hohem Energiebedarf betroffen, insbesondere die ausdifferenzierten (d.i. sich nicht mehr teilenden) Herzmuskelzellen und Neuronen, da sie bei geschädigter mitochondrialer Funktion nicht mehr ersetzt werden und mit zunehmendem Alter mehr und mehr Schäden ansammeln (s. unten).

Ein primärer CoQ10-Mangel - eine genetische, selten auftretende, autosomal rezessive Erkrankung-- tritt auf,  wenn Gene der in der Biosynthese von CoQ10 involvierten Proteine von Mutationen betroffen sind, die zu reduzierten Aktivitäten und damit verringertem CoQ10-Level führen. Klinische Symptome manifestieren sich schon früh und betreffen viele Organe, vor allem das zentrale und periphere Nervensystem, Herz, Muskel und Niere.

Ein sekundärer CoQ10-Mangel ist häufiger und kann verschiedene Ursachen haben, u.a. defekte Varianten von anderen, nicht in der CoQ10-Biosynthese involvierten Genen, beispielsweise im mitochondrialen Transport oder im Citratzyklus.

Auch zunehmendes Alter führt in den meisten Organen zu einem Absinken der CoQ10-Konzentration. Davon ist vor allem das Herz betroffen: 80-Jährige haben im Vergleich zu 20-Jährigen nur noch etwa 50 Prozent des CoQ10-Gehaltes. Ebenso sinkt der CoQ10-Gehalt in verschiedenen Hirnregionen und in der Epidermis der Haut deutlich ab.

In vielen Erkrankungen - Herzkrankheiten (z.B. Herzinsuffizienz), neurologischen Erkrankungen (beispielsweise Parkinson Krankheit), Diabetes, Lungen-und Lebererkrankungen liegen deutlich reduzierte CoQ10-Konzentrationen in den Organen vor. CoQ10 Mangel kann hier Auslöser und/oder auch Folge der Krankheit sein. In Infektionskrankheiten wie Influenza kommt es zu reduzierten CoQ10-Plasmaspiegeln.

Einige häufig verschriebene Medikamenten greifen direkt in die Biosynthese von CoQ10 ein, indem sie gemeinsame Schritte blockieren: das bekannteste Beispiel sind die millionenfach zur Cholesterinsenkung geschluckten Statine, die einen ganz frühen gemeinsamen Schritt (via HMG-CoA Reduktase) in der Cholesterinsynthese und in der Synthese der CoQ10-Seitenkette blockieren. Unter Therapie mit Statinen wurden deutlich (um ein Drittel) reduzierte CoQ10-Konzentrationen im Muskelgewebe gemessen. Eine Reihe von Statin-Nebenwirkungen in den Muskeln, die von Muskelschwäche, Myalgien bis hin zur seltenen, lebensbedrohenden Rhabdomyolyse reichen, dürften Folge des CoQ10-Mangel sein. Auch im Plasma und im zentralen Nervensystem (gemessen am Indikator Zerebrospinalflüssigkeit) ist der CoQ10-Gehalt unterStatin-Therapie erniedrigt. Zudem wird das Auftreten von kognitiver Beeinträchtigung und zerebellärer Ataxie mit Statin-bedingetm CoQ10-Mangel assoziiert.

Eine weitere Gruppe von Medikamenten - die gegen Osteoporose angewandten Biphosphonate - inhibieren eine Reaktion, die in einem späten Schritt auch zur Synthese der CoQ10- Seitenkette führt.

Supplementierung von CoQ10

Der globale Markt von CoQ10 ist groß (derzeit rund 700 Mio $) und soll laut Prognosen jährlich um rund 7 % wachsen. Allerdings gibt es bislang kein von FDA oder EMA registriertes CoQ10- Arzneimittel, dagegen eine riesige Menge von frei erhältlichen Präparaten - vom Nahrungsergänzungsmittel bis hin zu diversen Kosmetikprodukten, welche die Regale von Apotheken, Drogerien, Beautyshops und Supermärkten füllen. Da es keine Vorschriften bezüglich Formulierung und Dosierung gibt, sind Qualität und angepriesene Wirksamkeit der Präparate in vielen Fällen zu hinterfragen. Dies ist insbesondere der Fall, da das überaus lipophile CoQ10 in ungeeigneten Formulierungen auskristallisiert (Schmelzpunkt 48^oC) und dann nur in sehr geringem Ausmaß aus dem Darm in den Organismus aufgenommen werden kann; damit bleibt es unwirksam. Ein wesentliches Manko ist auch, dass für Wirksamkeitsstudien eine solide finanzielle Basis fehlt, um diese genügend lang, an einer ausreichend großen Zahl von Probanden als klinische Doppelblind-Studien durchzuführen.

Nichtsdestoweniger gibt es viele klinische Studien, in denen CoQ10 supplementiert wurde: ua. bei Herz-Kreislauferkrankungen, neurologischen Defekten, Stoffwechselerkrankungen, Statin-verursachten Nebenwirkungen und als Antiaging-Mittel. Die US-Datenbank ClinicalTrials.gov weist 82 Einträge solcher z.T. noch laufender Studien auf. In den letzten 10 Jahren sind 420 Originalberichte und Metaanalysen allein über klinische Studien erschienen - die Ergebnisse sind leider durchwachsen. In vielen Fällen dürften zu kleine Teilnehmerzahl, zu kurze Versuchsdauer und vor allem unzureichende Resorption des Wirkstoffs die Aussagekraft der Studie geschmälert haben.

Ist CoQ10 nun ein Wundermittel, das Krankheiten vorbeugt und heilt und uns Jugend verspricht?

Tabelle. Positive Ergebnisse bei Herzinsuffizienz. (Daten aus Mortensen et al., 2014; https://doi.org/10.1016/j.jchf.2014.06.008 Lizenz cc-by))

Im Folgenden sollen zwei Studien angeführt werden, die - mit optimalen CoQ10 Formulierungen ausgeführt - positive Ergebnisse erzielten und Hoffnung auf erfolgreiche Supplementierung bei weiteren Indikationen erwecken.

Die SYNBIO-Studie: Anwendung bei Herzsuffizienz

Die 2014 publizierte Studie hat insgesamt 420 Patienten mit Herzinsuffizienz Stufe III und IV 2 Jahre lang 3 x täglich mit jeweils 100 mg CoQ10 in einer speziell entwickelten, auf Resorbierbarkeit geprüften Formulierung oder mit Placebo behandelt. Nach 2 Jahren führte die Behandlung zu fast 3-fach erhöhten CoQ10-Plasmaspiegeln und zu einer Reduktion des Krankheits-spezifischen Markers NT-proBNP um 256 pg/ml. Die Sterblichkeit an Herzerkrankungen lag in der CoQ10 Gruppe um über 50 % niedriger als in der Placebogruppe und ebenso die Einweisungen ins Krankenhaus wegen Verschlechterung des Zustands. Tabelle.

Topische Anwendung von CoQ10 auf der Haut

Abbildung 4. In geeigneten Formulierungen angewandt wird die CoQ10 Konzentration in der Epidermis bedeutend erhöht (A) und ein Teil davon in Ubichinol umgewandelt (B). Der Sauerstoffverbrauch von Keratinocyten - als Indikator der Energieerzeugung -erhöht sich bei CoQ10-Behandlung (C). Control: PLacebobehandlung, Formula 1: Creme 348 µM CoQ10, Formula 2: 870 µM CoQ10 (Bilder aus Anja Knott et al., 2015. . https://doi.org/10.1002/biof.1239, Lizenz cc-by-nc.)

Ein seit mehr als 140 Jahren bestehendes, sehr erfahrenes dermatologisches Unternehmen hat das Eindringen von CoQ10 in die Epidermis der Haut, die dort erzielte Konzentration, die Wirkung auf die Energieerzeugung und die antioxidative Funktion versus Placebo geprüft.

Dazu wurden CoQ10 (Chinonform) in 2 verschiedenen Formulierungen (Creme und Serum) und entsprechende Placeboproben auf jeweils mehrere Stellen des linken und rechten Unterarms von 16 Versuchspersonen 2 x täglich 14 Tage lang aufgetragen. Nach dieser Zeit wurde das in der Epidermis vorhandene Ubichinon und Ubichinol bestimmt.

Durch die Behandlung mit der Creme, aber vor allem mit dem Serum wurde der Ubichinon-Gehalt in der Epidermis fast bis auf das Doppelte erhöht (Abbildung 4A) und ein Teil davon dort auch in das antioxidative Ubichinol umgewandelt (Abbildung 4B). In Keratinozyten - den Hauptzellen der Epidermis - stieg der Sauerstoffverbrauch (OCR; als Maß für die Energieerzeugung) durch die CoQ10-Zufuhr um 38 % (Abbildung 4C). Neben der gesteigerten Energieerzeugung erwies sich auch die antioxidative Wirkung von CoQ10: Freie Radikale in der gestressten Haut der Probanden wurden durch die Behandlung um bis zu 10 %gesenkt (ohne Bild).

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Do, 14.09.2023 - — Christina Beck

In den 1940er-Jahren untersucht der polnische Zoologe August Dehnel in der Wirbeltiersammlung seiner Universität die Schädel von Spitzmäusen. Dabei macht er eine erstaunliche Entdeckung: Die Schädelgröße der Tiere verändert sich im Jahresverlauf! Schädel von Individuen, die im Frühjahr und Sommer gefangen wurden, sind größer als diejenigen von „Wintertieren“. Dehnel vermutet, dass die saisonalen Unterschiede etwas mit der Anpassung an die kalte Jahreszeit zu tun haben. Im Jahr 1949 veröffentlicht er seine Beobachtungen im Fachblatt der Universität, die aber kaum Beachtung finden. Erst vor rund 10 Jahren nehmen Dina Dechmann und ihr Team (Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie) die Arbeit an diesem erstaunlichen Phänomen auf und stoßen auf eine neue Strategie des Energiesparens im Winter. Die Zellbiologin Christina Beck (Leiterin der Kommunikation der Max-Planck-Gesellschaft) berichtet darüber.*

Nach seinem Erscheinen findet Dehnels Beitrag zunächst kaum Beachtung. Seine Entdeckung wird sogar als Scheineffekt abgetan: Dehnel sei einem Irrtum aufgesessen, weil kurz vor dem Winter vermehrt große Individuen sterben, vermuten seine Kollegen. Die Studie gerät weitgehend in Vergessenheit, bis vor rund zehn Jahren die Verhaltensökologin Dina Dechmann auf das Phänomen stößt. Dechmann leitet eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie in Radolfzell am Bodensee. Gemeinsam mit ihren Kolleginnen und Kollegen erforscht sie, wie sich Tiere an ihre Umwelt anpassen und ihren Energiehaushalt optimieren: Wie stellen Tiere sicher, dass sie immer genügend Nahrung finden, um zu überleben und Nachkommen aufzuziehen? Welche Strategien verfolgen sie, um Energie zu sparen, wenn nicht genügend Futter vorhanden ist? „Besonders spannend für uns sind kleine Tiere, die eine sehr hohe Stoffwechselrate haben und daher ohnehin am energetischen Limit leben“, sagt Dechmann. Für solche Tiere ist es eine ganz besondere Herausforderung, ihren hohen Energiebedarf ständig zu decken.

Bei gleichwarmen Tieren korreliert die Körpergröße normalerweise umgekehrt mit dem Energieverbrauch: Je kleiner ein Tier, desto höher ist sein relativer Bedarf an Energie. Die Beziehung zwischen Körpergröße und Energieverbrauch ist dabei nicht linear, sondern exponentiell (Abbildung1). Der Grund für dieses Phänomen ist noch nicht vollständig verstanden. Eine Erklärung betrachtet den Wärmehaushalt des Körpers, der sowohl vom Körpervolumen als auch von der Körperoberfläche beeinflusst wird: Je größer das Volumen, desto mehr Zellen sind vorhanden, die Stoffwechsel betreiben und desto mehr Wärme wird im Körperinnern freigesetzt. Kleine Tiere haben jedoch verhältnismäßig mehr Oberfläche. Um ihre Körpertemperatur aufrecht zu halten, müssen sie daher härter arbeiten, um Körperwärme zu produzieren, verlieren aber auch mehr davon. Das kostet Energie.

Abbildung 1: Stoffwechselraten bei Säugetieren. Ein Maß für die Stoffwechselrate ist der Sauerstoffverbrauch pro Kilogramm Körpergewicht. Kleine Tiere haben wesentlich höhere Stoffwechselraten als große Tiere und damit einen höheren relativen Energiebedarf. © J. Lazaro für MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Eine Maus, die keine ist

Ein extremes Beispiel ist die Spitzmaus (Abbildung 2) – ein winziges Säugetier, das trotz seines Namens und der äußerlichen Ähnlichkeit nicht zu den Mäusen gehört, sondern mit dem Maulwurf und dem Igel eng verwandt ist (Ordnung „Eulipotyphla“).

Spitzmäuse leben räuberisch und fressen im Sommer vor allem Würmer und Larven. Im Winter, unter ungleich härteren Lebensbedingungen, stehen vor allem Insekten und Spinnentiere auf dem Speiseplan. Die kleinen Räuber sind andauernd in Bewegung: „Spitzmäuse sind winzige Tierchen, die wie kleine Porsches ständig hochtourig fahren und deshalb fortlaufend viel und qualitativ hochwertige Nahrung brauchen“, sagt Dina Dechmann. „Unter allen Säugetieren haben sie den höchsten, je gemessenen Stoffwechsel. Sie sind kleine Hochleistungsathleten, die ausschließlich über schnelle, aerob arbeitende Muskelfasern verfügen – und deshalb nie Muskelkater bekommen, obwohl sie sich ständig unter hohem Energieaufwand bewegen.“ So ein Leben auf der Überholspur hat jedoch seinen Preis: Finden die Tiere kein Futter, verhungern sie binnen fünf Stunden. Für die winzigen Säuger ist Energiesparen im Winter daher eine Frage des Überlebens.

Abbildung 2: Die Spitzmaus. © Christian Ziegler

Um die kalte Jahreszeit zu überstehen, haben Tiere ganz unterschiedliche Strategien entwickelt: Zugvögel verlassen Jahr für Jahr ihre Brutgebiete und fliegen in wärmere Winterquartiere. Fledermäuse, Igel oder Murmeltiere halten Winterschlaf, wobei sie ihre Körpertemperatur drastisch senken. Bei Werten nahe dem Gefrierpunkt sinken die Stoffwechselrate und damit der Energieverbrauch bei manchen Arten bis auf ein Hundertstel der Ausgangswerte. Bei der Winterruhe wird die Körpertemperatur dagegen nur wenig abgesenkt. Tiere, die so überwintern – etwa Braunbären und Eichhörnchen – fallen in einen schlafähnlichen Zustand und sparen dadurch Energie. Zwischendurch wachen sie immer wieder auf, um zu fressen. Eichhörnchen legen dafür im Herbst Futterlager an. Die Spitzmaus verfolgt keine dieser Strategien. Sie wandert nicht aus und behält im Winter ihr Aktivitätslevel bei. Trotzdem sind die kleinen Räuber ausgesprochen erfolgreich, und zwar ausgerechnet in kalten Regionen: Je nördlicher der Breitengrad, desto dominanter ist ihr Einfluss auf die lokale Fauna. Wie machen sie das? War August Dehnel auf der richtigen Spur?

Schrumpfen statt schlafen

Um das herauszufinden, startete Javier Lazaro, Doktorand in Dechmanns Forschungsgruppe, ein aufwändiges Freilandexperiment. Im Sommer fing er in der Umgebung des Instituts mehr als 100 Waldspitzmäuse (Sorex araneus). Die quirligen, im Sommer rund acht Gramm schweren Tiere sind die häufigsten Spitzmäuse in Mitteleuropa und kommen in großen Teilen Europas und im nördlichen Asien vor. Alle gefangenen Tiere wurden geröntgt, um ihre Schädel zu vermessen. Anschließend entließ Lazaro sie wieder in die Freiheit, nachdem er sie zur Wiedererkennung mit reiskorngroßen elektronischen Transpondern ausgestattet hatte. Solche Chips werden in einer größeren Variante auch für Haustiere verwendet. In regelmäßigen Wiederfangaktionen gelang es dem Wissenschaftler, rund ein Drittel der Tiere erneut zu fangen und zu röntgen, um die Veränderungen über die Zeit zu dokumentieren (Abbildung 3). Und tatsächlich: Die Schädel aller untersuchten Spitzmäuse waren im Winter geschrumpft und im darauffolgenden Frühjahr wieder gewachsen! „Die Schädelhöhe nahm im Winter um 15 Prozent ab, manchmal sogar bis zu 20 Prozent“, sagt Javier Lazaro. Und nicht nur die Größe des Schädels verändert sich. Auch lebenswichtige Organe wie Gehirn, Leber, Darm und Milz schrumpfen, sogar Teile des Skeletts werden abgebaut. Die Tiere verlieren dadurch im Winter bis zu einem Fünftel ihres Körpergewichts und verändern ihr Aussehen so stark, dass man sie früher fälschlicherweise sogar für unterschiedliche Arten hielt. Im Frühjahr beginnen die Spitzmäuse dann wieder zu wachsen. Ihre ursprüngliche Gestalt erreichen sie jedoch nicht mehr: „Die Schädelhöhe etwa nimmt lediglich um neun Prozent wieder zu. Dass die Tiere dadurch mit der Zeit nicht immer kleiner werden, liegt daran, dass sie nur 13 Monate lang leben und somit nur einen einzigen Schrumpfungszyklus durchlaufen“, so der Wissenschaftler. „Mit unserer Wiederfangstudie konnten wir erstmals zeigen, dass die saisonalen Veränderungen in jedem einzelnen Tier stattfinden.“ August Dehnel hatte also recht, und mittlerweile sind die von ihm erstmals beschriebenen saisonalen Größenänderungen als Dehnel-Effekt bekannt.

Abbildung 3: Veränderung der Schädelhöhen. Auf der y-Achse wird das Verhältnis „Schädelhöhe zu Zahnreihe“ dargestellt. Da die Länge der Zahnreihe eines Individuums gleich bleibt, werden somit die Schwankungen in der Körpergröße der vermessenen Spitzmäuse herausgerechnet. Die Linie zeigt die Mittelwerte. Die Kreise zeigen die Messwerte der mehrfach gefangenen Individuen. Rot markiert sind drei Messungen, die an demselben Individuum im Sommer, Winter und Frühjahr vorgenommen wurden. Diese Werte entsprechen den Schädelzeichnungen (oben), die auf Grundlage von Röntgenbildern entstanden. © J. Lazaro für MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Auch Maulwürfe und Wiesel werden kleiner

Wie aber entsteht ein solches Phänomen im Laufe der Evolution und warum? Um das herauszufinden, suchten die Forschenden auch in anderen Arten – und wurden fündig: Die verwandten Maulwürfe und die im evolutionären Stammbaum weit entfernten Wiesel zeigen dieselben jahreszeitlichen Veränderungen. All diesen Tieren gemeinsam ist, dass sie von hochwertiger Nahrung abhängig sind und keinen Winterschlaf halten. Die Forschenden sehen darin ein starkes Indiz dafür, dass es sich dabei um Konvergenz handelt: Eine konvergente Anpassung tritt bei nicht näher miteinander verwandten Tiergruppen auf, die unter ähnlichen Umweltbedingungen leben und daher denselben Selektionsfaktoren ausgesetzt sind. Die äußeren Bedingungen sind jedoch nicht konstant und können sich im Jahresverlauf ändern – und damit die Richtung, in welche die natürliche Selektion wirkt. Bei der Spitzmaus sind im Winter kleine Tiere im Vorteil, die mit wenig Energie auskommen: „Anhand von Stoffwechselmessungen haben wir gezeigt, dass Spitzmäuse pro Gramm Körpergewicht bei +20 °Celsius genauso viel Energie verbrauchen wie bei -1 °Celsius“, sagt Dina Dechmann. „Eine Spitzmaus, die im Winter um 20 Prozent kleiner ist, spart also auch 20 Prozent Energie.“ Im Frühjahr kehren sich die Verhältnisse um: „Spitzmäuse sind sehr territorial, und dabei sind große Tiere ihren Konkurrenten überlegen. Große Weibchen bringen zudem größere Junge zur Welt, die eine höhere Überlebenswahrscheinlichkeit haben als kleine.“ Als Reaktion auf die unterschiedlichen Anforderungen der Umwelt hat sich bei Spitzmäusen die Fähigkeit herausgebildet, die Körpergröße im Jahresverlauf zu verändern. „Die Schrumpfung ist dabei keine Folge von Hunger, sondern ein genetisches Programm, das bereits im August startet, wenn noch ideale Futterbedingungen herrschen“, sagt die Forscherin. „Dieses Programm kann durch die Umwelt jedoch modifiziert werden.“

Um herauszufinden, welche Umweltfaktoren dafür entscheidend sind, verglichen die Forschenden zwei Maulwurfarten aus unterschiedlichen Klimazonen. Anhand von Schädelmessungen in Museumssammlungen wiesen sie nach, dass der Europäische Maulwurf im Winter schrumpft. Der Iberische Maulwurf, der in Spanien und Portugal vorkommt, bleibt dagegen das ganze Jahr über gleich groß – und das, obwohl auch er zeitweise mit Nahrungsknappheit zu kämpfen hat. Der Futtermangel trifft ihn jedoch während der heißen Jahreszeit. „Wenn es lediglich eine Frage der Nahrung wäre, dann müsste der Europäische Maulwurf im Winter schrumpfen, der Iberische Maulwurf dagegen im Sommer, wenn große Hitze und Trockenheit das Futter knapp machen“, sagt Dechmann. Das Forschungsteam geht daher davon aus, dass nicht allein der Nahrungsmangel, sondern auch das kältere Klima ausschlaggebend ist.

Gehirnverlust mit Folgen

Über die Anpassung von Tieren an kalte Klimazonen hat sich im 19. Jahrhundert bereits der deutsche Anatom Carl Bergmann Gedanken gemacht. Von ihm stammt die sogenannte Bergmannsche Regel. Sie sagt voraus, dass Vögel und Säugetiere, die in kalten Regionen leben, normalerweise größer sind als ihre Verwandten in warmen Gegenden. Grund dafür ist ihr Oberflächen-Volumen-Verhältnis: Da mit zunehmender Größe das Volumen eines Körpers stärker ansteigt als seine Oberfläche, haben große Tiere in kalten Regionen einen Vorteil, weil sie relativ gesehen weniger Wärme abgeben als kleine. Spitzmäuse folgen dieser Regel nicht – im Gegenteil: Bei ihnen sind Individuen derselben Art im Norden sogar noch kleiner als im Süden. Doch trotz ihres energetisch ungünstigen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses sind die kleinen Räuber gerade in kalten Regionen häufig. Ihre Strategie, durch saisonale Schrumpfung Energie zu sparen, scheint also aufzugehen. Dafür spricht auch, dass Dehnels Phänomen bei Waldspitzmäusen im Nordosten Polens stärker ausgeprägt ist als bei ihren Verwandten am klimatisch milderen Bodensee. Eine vergleichbare regionale Variabilität haben die Max-Planck-Forschenden auch bei Wieseln gefunden. Bei ihren weiteren Untersuchungen konzentrierten sich Dina Dechmann und ihr Team auf das Gehirn – dasjenige Organ, das bei der Spitzmaus im Vergleich zu anderen Organen besonders stark schrumpft. Bereits August Dehnel hatte anhand seiner Schädelmessungen errechnet, dass das Volumen des Spitzmausgehirns im Winter um 20 Prozent kleiner ist als im Sommer. Mehr als sieben Jahrzehnte später setzten die Max-Planck-Forschenden auf moderne medizinische Diagnoseverfahren, um individuelle Veränderungen des Gehirns sichtbar zu machen. In einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Universitätsklinikum Freiburg vermaßen sie einzelne Spitzmäuse wiederholt im Magnetresonanztomografen (Abbildung 4). Es war bereits bekannt, dass nicht alle Gehirnbereiche in gleichem Maße schrumpfen. Die Veränderungen betreffen vielmehr ganz bestimmte Regionen – den Neocortex und den Hippocampus. Der Neocortex ist ein Teil der Großhirnrinde und unter anderem für die Verarbeitung von Sinneseindrücken zuständig, der Hippocampus ist wichtig für die räumliche Orientierung. „Wir haben herausgefunden, dass der Neocortex um ganze 25 Prozent schrumpft, der Hippocampus um 20 Prozent“, sagt Dina Dechmann. Welche Folgen hat es, wenn das Gehirn in solch wichtigen Bereichen derart stark abgebaut wird? Um das zu testen, starteten die Forschenden eine Reihe von Verhaltensexperimenten, deren Resultate sie dann mit den MRT-Messungen im gleichen Tier vergleichen konnten. „Dieses Projekt war eine echte Herausforderung, denn Spitzmäuse sind sehr stressempfindlich und anspruchsvoll in der Haltung“, sagt Dechmann. „Bisher ist es auch nicht gelungen, sie in Gefangenschaft zu züchten.“ Die Forschenden mussten daher mit Wildfängen arbeiten. Im Experiment ließen sie Spitzmäuse, die sie zu verschiedenen Jahreszeiten im Freiland gefangen hatten, in einer Versuchsarena nach Mehlwürmern suchen. Anhand von bestimmten visuellen Hinweisen sollten sich die Tiere merken, wo die Leckerbissen versteckt waren. Dabei zeigte sich, dass sich die saisonalen Veränderungen der Gehirngröße tatsächlich auf die kognitiven Fähigkeiten der Tiere auswirkt: „Im Sommer lernten die Spitzmäuse schneller, wo sich die Futterquelle befand und brauchten in aufeinanderfolgenden Versuchen weniger Zeit, um sie zu finden“, sagt Dina Dechmann. „Im Winter schnitten sie dagegen deutlich schlechter ab.“

Abbildung 4: Veränderung der Knochendichte. Computertomographische Aufnahme des Schädels eines Individuums im Sommer und Winter. Die Farben zeigen die unterschiedlichen Knochendichten. Im Wintertier sind die Plattennähte des Schädels und die Platte am Hinterhaupt demineralisiert. © C. Dullin / CC BY-NC-SA 4.0

Die Forschenden schließen daraus, dass das Ortsgedächtnis der Tiere tatsächlich unter der Schrumpfung leidet: „Wir glauben, dass die Spitzmäuse sich das leisten können, weil ihre Umwelt im Winter weniger komplex wird“, sagt Dina Dechmann. „Im Sommer verändert sich die Vegetation schnell, die Spitzmäuse bewegen sich großräumig und müssen sich daher viel merken. Im Winter sind die Tiere dagegen viel kleinräumiger unterwegs und suchen teils versteckt unter der Schneedecke nach Futter.“ In der kalten Jahreszeit überwiegen daher die Vorteile, die ein kleines Gehirn aufgrund seines geringeren Energieverbrauchs bietet. Biologen sprechen von einem Trade-off (dt. Ausgleich, Kompromiss) zwischen Energieoptimierung und kognitiver Leistung: Bei Eigenschaften, die sich wechselseitig beeinflussen und die miteinander in Konflikt stehen, bildet sich im Lauf der Evolution ein Kompromiss heraus, der das Überleben und den Fortpflanzungserfolg eines Tieres oder einer Pflanze bestmöglich sichert. Vor allem bei Säugetieren ist das Denkorgan ein wahrer Energiefresser: Beim Menschen hat es einen Anteil von zwei Prozent am Körpergewicht, verbraucht aber ganze 20 Prozent der Gesamtenergie. „Der Kompromiss, durch eine Verkleinerung des Gehirns Energie zu sparen, obwohl das zu messbaren Einschränkungen der kognitiven Leistung führt, zeigt, wie extrem anpassungsfähig Säugetiere sein können“, sagt Dechmann.

Neue Ansätze für die Medizin

Aktuell untersuchen die Max-Planck-Forschenden, was bei den saisonalen Veränderungen der Spitzmaus auf physiologischer Ebene passiert: Wie schaffen es die Tiere, Knochen und Organe zu schrumpfen und dann wieder wachsen zu lassen? Und wodurch wird der Vorgang ausgelöst? Neue Experimente zu Stoffwechsel und Genexpression sollen Licht ins Dunkel bringen. Diese Abläufe im Detail zu verstehen, ist nicht nur für Biologinnen und Biologen interessant – auch die Medizin könnte davon profitieren: „So große, vor allem umkehrbare Veränderungen im Skelett könnten für die Knochenrekonstruktion oder Osteoporose-Forschung wichtig sein“, sagt. Dina Dechmann. Bei dieser Erkrankung verliert das Skelett an Substanz und wird brüchig. Weitere Erkenntnisse über diesen Abbauprozess, der in der Spitzmaus umkehrbar ist, könnten daher nützlich sein, um neue Therapieansätze zu entwickeln. Dasselbe gilt für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, die mit einem Substanzverlust im Gehirn einhergehen. Dina Dechmann und ihr Team arbeiten daher mit Forschenden der Universitäten Stony Brook und Aalborg zusammen. „Spitzmäuse könnten schon in naher Zukunft wichtige Modellorganismen für unterschiedliche medizinische Forschungszweige werden“, glaubt die Max-Planck-Forscherin. Die winzigen Räuber sind daher nicht zuletzt ein Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung zu neuen Erkenntnissen in der Medizin führen kann.

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* Der Artikel von Christina Beck unter Mitwirkung von Dr. Elke Maier (Redaktion Max-Planck-Forschung) ist erstmals unter dem Titel: "Energie sparen leicht gemacht - Warum Spitzmäuse im Winter schrumpfen" in BIOMAX 38, Herbst2023 erschienen https://www.max-wissen.de/max-hefte/biomax-38-energie-sparen-spitzmaus/ und wurde (mit Ausnahme des Titels) unverändert in den Blog übernommen. Der Text steht unter einer CC BY-NC-SA 4.0 Lizenz.

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Mehr zum Thema

Veröffentlichung von Dina Dechmann und Team:

 Jan R. E. Taylor, Marion Muturi, Javier Lázaro, Karol Zub, Dina K. N. Dechmann: Fifty years of data show the effects of climate on overall skull size and the extent of seasonal reversible skull size changes (Dehnel's phenomenon) in the common shrew. Ecology and Evolution. https://doi.org/10.1002/ece3.9447

 Vortrag von Dina Dechmann:

Wie passen sich Tiere veränderter Nahrung an? Video 12:00 min https://www.br.de/mediathek/podcast/campus-talks/pd-dr-dina-dechmann-wie-passen-sich-tiere-veraenderter-nahrung-an/1865539

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Fr, 08.09.2023 — Ricki Lewis

Die Genetikerin Ricki Lewis hat Tausende Artikel in wissenschaftlichen Zeitschriften verfasst und eine Reihe von voluminösen Lehrbüchern geschrieben, die zu Bestsellern wurden und bereits mehr als ein Dutzend Auflagen erreicht haben. Ihre leicht verständlichen Schriften vermitteln den Lesern nicht nur sorgfältigst recherchierte Inhalte, sondern auch die Begeisterung für Wissenschaft und die zugrundeliegende Forschung, wobei Sichtweise, Erfahrung, Wissen und auch Humor der Autorin miteinfließen. Dass ChatGTP eine Konkurrenz für sie als Autorin werden könnte, ist für Ricki Lewis nicht vorstellbar.*

Eben habe ich ChatGTP (https://chat.openai.com/auth/login) zum ersten Mal benutzt. Anfangs habe ich mir Gedanken um meine Zukunft gemacht, denn der Chatbot beantwortete fast augenblicklich meine Fragen zu immer obskurer werdenden Begriffen aus meinem Fachgebiet, der Genetik,. Das KI-Tool zu überlisten, hat allerdings nur etwa 10 Minuten gedauert.

ChatGTP - "Chat Generative Pre-trained Transformer" - wurde am 30. November 2022 von OpenAI/Microsoft freigegeben.(Die Bezeichnung klingt ein bisschen wie das, was Google über Steroide sagt.) Nach meiner kurzen Begegnung mit dem Chatbot muss ich mich aber fragen, ob dieser die Nuancen, den Kontext, den Humor und die Kreativität eines menschlichen Geistes schaffen kann. Könnte er mich als Autorin von Lehrbüchern ersetzen?

Ich schreibe schon seit langem dicke Wälzer über Biowissenschaften

Mein Lieblingsbuch war immer "Human Genetics: Concepts and Applications"; die erste Auflage ist 1994 erschienen, als die Ära der Sequenzierung des menschlichen Genoms begann. Die 14. Auflage wurde diese Woche von McGraw-Hill herausgegeben. Eine Überarbeitung dauert gewöhnlich zwei Jahre: ein Jahr für Aktualisierung und Berücksichtigung der Vorschläge der Rezensenten, ein weiteres für die "Produktion" vom Lektorat bis zur Endfassung. Dann folgt ein Jahr Pause.

Abbildung 1. Ricki Lewis: Humangenetik Konzepte und Anwendungen. 12 Auflagen des Lehrbuchs von 1994 bis 2017 (Lizenz cc-by)

Mit der Entwicklung der Genetik zur Genomik trat die künstliche Intelligenz auf den Plan und übertrug die kombinatorischen Informationen der vergleichenden Genomik auf die DNA-Sequenzen. Mit einem Training an Datensätzen und einer anschließenden Mustererkennung ließen sich Evolutions-Bäume ableiten, welche die Beziehungen zwischen den Spezies abbildeten beim Testen der Abstammung und in der Forensik und ebenso bei der Identifizierung von mutierten Sequenzen, die auftreten, wenn sich das Krebsgeschwür ausbreitet.

ChatGPT ist für mich zu neu, als dass ich bei der Überarbeitung der neuen Auflage davon Gebrauch gemacht hätte, aber ich bin nun neugierig geworden. Ich könnte mir vorstellen, dass der Bot Definitionen ausspuckt, aber ein Lehrbuch ist viel mehr als nur "Inhalt". Ein menschlicher Autor fügt seine Sichtweise, Erfahrung und vielleicht sein Wissen hinzu, das über das hinausgeht, was ChatGPT aus dem Internet entnehmen kann.

Genetik-Lehrbücher und Generative künstliche Intelligenz

Die Genforschung erzeugt und extrahiert Unmengen an Informationen, Millionen und sogar Milliarden an Datenpunkten. Man trainiert einen Algorithmus an den DNA-Sequenzen eines bekannten krankheitsverursachenden Gens und sucht dann in Zellen anderer Personen nach identischen oder sehr ähnlichen Sequenzen, um die Diagnose zu unterstützen.

Die Art von KI, die Lehrbücher neu schreiben könnte, wird generativ genannt - es ist das G in GTP (zufällig auch eine Abkürzung für einen der vier DNA-Bausteine). ChatGTP lernt die Muster und Strukturen von "Trainingsdaten" und generiert ähnliche Kombinationen aus neuen Daten und erzeugt Texte, Bilder oder andere Medien.

Könnte ChatGTP also ein Lehrbuch wie das meine schreiben?

Das glaube ich nicht. Ich kann mir vorstellen, dass die generative KI einen Roman schreibt, der den Romanen der bekannten Autorin Colleen Hoover (US-amerikanische Bestseller-Autorin; Anm. Redn.) ähnelt. Tatsächlich habe ich vor langer Zeit eine Fantasy-Erzählung im Playgirl veröffentlicht, nachdem ich Wörter und Sätze in ähnlichen Artikeln aufgelistet und ein neues Szenario entworfen hatte. Es ging darin um einen Tornado und eine Schubkarre im ländlichen Indiana.

Wie Colleen Hoovers Belletristik und Playgirl-Fantasien haben auch Lehrbücher einen ganz eigenen Stil. Lehrbücher enthalten aber viel mehr als nur eine einzige Erzählung pro Kapitel. Die Herstellung umfasst auch die Auswahl von Fotos, die Gestaltung von Illustrationen und die Erstellung von pädagogischen Hilfsmitteln - Fragen, Zusammenfassungen, Verweise, Texte in Boxen.

Hier folgt nun also ein kurzer Überblick über den Werdegang der Lehrbuchveröffentlichung und anschließend das, was - meiner Meinung nach- künstliche Intelligenz nicht so gut wie ein menschlicher Autor leisten kann.

Das Werden eines Lehrbuchs über Biowissenschaften

Mein erstes Lehrbuch, Life, war ein Einführungsbuch in die Biologie (nicht zu verwechseln mit Keith Richards' Autobiografie mit demselben Titel). Damals waren die Marketing-Leute mit allem möglichen Schnickschnack ausgerüstet, um den Marktanteil zu erhöhen - Probenvorräte, Handbücher für Lehrpersonal, Arbeitsbücher für Fallstudien. Was für ein Unterschied gegen heute! Elektronische Lehrbücher sind mit Multiple-Choice-Fragen zum "adaptiven Lernen" ausgestattet. Der Lernende (früher Student genannt) erhält sofortige Rückmeldung darüber, warum jede falsche Antwort falsch ist.

Jede Auflage hat neue Schriftarten, Designelemente und Farbpaletten gebracht, um die neue Version anders aussehen zu lassen, weil sich einige Themen - Mitose, Mendel, DNA - ja nicht ändern. Umfangreiche Wälzer wurden in kürzere Versionen aufgeteilt- wie kalbende Eisberge.

Die ersten E-Books stammen aus den 1990er Jahren. Heute ist in den Studiengebühren eine Gebühr für die zeitlich begrenzte Lizenzierung eines E-Lehrbuchs enthalten. "E" könnte auch für "eintägig" stehen.

Für die 14. Auflage meines Buches hat ein Unternehmen alles, was ich geschrieben habe, unter dem Blickwinkel von Diversität, Gleichberechtigung und Inklusivität (DGI) unter die Lupe genommen. In einem PLOS-Blogbeitrag vom April d.J. habe ich berichtet, wie ich meine Fauxpas entdeckt habe https://dnascience.plos.org/2023/04/27/embracing-diversity-equity-and-inclusion-in-genetics-textbooks-and-testing/.

Da herkömmliche Lehrbücher kostspielig sind, gibt es gelegentlich Bestrebungen, sie zu ersetzen. Aber einen Kurs aus Online-Materialien oder aus Mitschriften von Vorlesungen und Prüfungsfragen zusammenzuschustern, erfordert mehr Zeit und Mühe, als den meisten angehenden Autoren bewusst ist. Und den kostenlosen Online-Lehrbüchern, die vor einigen Jahren aufkamen, fehlte die redaktionelle Kontrolle und die der Reviewer, die ein akademischer Verlag bietet.

Eine bei der Erstellung eines Lehrbuchs weniger konkretisierbare Fähigkeit ist das angeborene Schreibtalent. Stilelemente sind subtil. Wie viele Akademiker oder ChatGTP wechseln vom Passiv ins Aktiv? Formuliert man um, um "es gibt" und andere Redundanzen zu vermeiden? Um zu häufige Verwendung von Wörtern zu unterlassen? Um die Länge von Sätzen, von Absätzen zu ändern? Um das Material in logische A-, B- und C-Abschnitte zu gliedern?

Kann KI die Kreativität eines menschlichen Geistes nachahmen?

Künstliche Intelligenz kann schnell eine Tabelle mit DNA-Replikationsenzymen zusammenstellen oder eine Chronik für Technologien erstellen. Aber wie könnte ein noch so gut trainierter Algorithmus die Auswahl der Beispiele eines Autors nachahmen oder Fallstudien entwickeln, die auf persönlichen Interviews mit Menschen mit genetischen Krankheiten basieren?

Würde KI meine Stammzellen-Vergleiche verbessern?

"Der Unterschied zwischen einer Stammzelle und einer Vorläuferzelle ist ein wenig so, wie wenn ein Studienanfänger viele Studienfächer in Betracht zieht, während ein Student sich dann bei der Wahl seiner Kurse eher auf einen bestimmten Bereich konzentriert. Die Reprogrammierung einer Zelle ist vergleichbar mit der Entscheidung eines Studienanfängers, das Hauptfach zu wechseln. Will ein Student mit Hauptfach Französisch Ingenieur werden, so müsste er neu beginnen und ganz andere Kurse belegen. Aber ein Biologiestudent, der Chemie studieren möchte, müsste nicht bei Null anfangen, weil viele gleiche Kurse für beide Studiengänge gelten. So ist es auch bei den Stammzellen."

Wie sieht es mit der Pädagogik aus? KI könnte Formulare zum Ausfüllen oder Multiple-Choice-Fragen ausspucken. Aber könnte sie meine Übung zum kritischen Denken mit Venn-Diagrammen (Darstellung von Mengen mit Kreisen; Anm. Redn.) von drei SARS-CoV-2-Varianten mit einigen gemeinsamen Mutationen erstellen? Ich bitte dort den Leser, die Regeln des genetischen Codes anzuwenden, um vorherzusagen, welche Veränderungen die öffentliche Gesundheit am ehesten bedrohen werden.

Ich versuche, meine Fragen unterhaltsam zu gestalten.

Würde ChatGPT am Ende eines Kapitels Fragen zur Vererbung von drahtigem Haar bei den Tribbles aus Star Trek stellen? Bei einer Familie im Allgemeinen Krankenhaus eine seltene Blutgruppe aufspüren? Einen Stammbaum für SORAS (Soap Opera Rapid Aging Syndrome) erstellen, das Leiden, das die Familie Newman in der Seifenoper "Schatten der Leidenschaft" befällt?

Anleihen bei Science-Fiction werden in einem Kapitel über Evolution fortgesetzt, in dem die Lernenden aufgefordert werden, das Prinzip zu identifizieren, das diese Themen veranschaulichen:

In "Seveneves" von Neal Stephenson zerspringt der Mond. In zwei Jahren werden die Bruchstücke auf die Erde prallen und den Planeten für Jahrhunderte unbewohnbar machen. Einige Menschen, die bereits auf riesigen Raumstationen leben, überleben, und andere werden ausgewählt, um sich ihnen anzuschließen. Alle anderen sterben unter der Flut von Mondschrott und der großen Hitze. Oben, auf der "Wolkenarche", schwindet die menschliche Spezies dahin, aber entsteht wiederausgehend von sieben überlebenden Frauen, die mit Hilfe von Fortpflanzungstechnologien Kinder bekommen. Fünftausend Jahre nach der Explosion des Mondes ist die menschliche Bevölkerung wieder auf 3 Milliarden angewachsen, bereit, eine geheilte Erde zu bewohnen. (EIN BEVÖLKERUNGSENGPASS)

In "Children of the Damned" werden plötzlich alle Frauen einer Kleinstadt von genetisch identischen Wesen von einem anderen Planeten geschwängert. (NICHT ZUFÄLLIGE PAARUNG)

In Dean Koontzis "The Taking" töten riesige mutierte Pilze fast alle Menschen und verschonen nur kleine Kinder und die wenigen Erwachsenen, die sie beschützen. Die menschliche Rasse muss sich aus den Überlebenden neu formieren. (GRÜNDEREFFEKT)

Was ist mit der Geschichte? Die KI könnte leicht Chronologien zusammenstellen. Aber würde sie die Entschlüsselung des genetischen Codes durch Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei im Jahr 1961 in einer "Glimpse of History"-Box mit der Erfindung des ersten mRNA-basierten Impfstoffs durch Katalin Karikó und Drew Weissman verbinden?

Und schließlich: Kann KI von Humor Gebrauch machen? Würde sie eine Frage am Ende eines Kapitels wie diese über forensische DNA-Tests stellen?

"Rufus, der Kater, wurde von seinen Besitzern in einer Mülltonne gefunden. Sein Körper war mit Schnitten und Bisswunden übersät, und an seinen Krallen klebten graue Fellreste - graues Fell, das dem Fell von Killer, dem riesigen Hund von nebenan, sehr ähnlich sah."

ChatGPT -eine Abwägung

ChatGPT zu testen war einfach. Es verdient eine Eins plus bei der Ausgabe von Definitionen obskurer Fachbegriffe wie Tetrachromasie (verbessertes Farbsehen durch eine vierte Art von Zapfenzellen) und Chromothripsis (zersplitterte Chromosomen).

ChatGPT unterscheidet genau zwischen Gentherapie und Gen-Editierung. Das Tool vereinfacht die Gentherapie nicht zu sehr auf das "Ersetzen" eines Gens, sondern antwortet: "Bei der Gentherapie werden neue oder veränderte Gene in die Zellen einer Person eingeführt, um ein fehlerhaftes Gen zu korrigieren oder zu ersetzen oder um eine therapeutische Funktion bereitzustellen." Diese Definition deckt alle Grundlagen ab.

In meiner neuen Lehrbuchauflage gibt es eine Box mit Informationen darüber, wie sich die Viren von Grippe und COVID unterscheiden. Auch hier liefert ChatGPT mehr, als ich über die beiden Erreger wissen möchte, und vergleicht und setzt sie in Gegensatz. Ich könnte mir vorstellen, dass ein Student die Antwort in einer Hausarbeit verwendet - ich bin froh, dass meine Zeit als Professor vorbei ist!

ChatGPT unterscheidet klar zwischen Fahrer- und Mitfahrer-Mutationen bei Krebs, gleichwohl beginnt meine Lehrbuchdefinition mit dem Zusammenhang: "Der Fahrer eines Fahrzeugs bringt es zum Ziel, der Beifahrer fährt mit".

Ein Haftungsausschluss für ChatGPT lautet: "Trotz unserer Sicherheitsvorkehrungen kann ChatGPT Ihnen ungenaue Informationen liefern." Offenbar macht er auch Fehler durch Auslassungen; dies stellte ich fest, als ich nach etwas anderem fragte, über das ich geschrieben hatte: wie man einen Impossible Burger macht. Nicht nur die Zutaten, sondern auch die Biotechnologie hinter dieser genialen Erfindung.

Die Erklärung von ChatGPT beginnt genau genug: "Der Impossible Burger ist ein pflanzliches Burger-Patty, das den Geschmack und die Beschaffenheit eines herkömmlichen Rindfleisch-Burgers imitieren soll. Ich habe zwar keinen Zugang zu dem genauen Rezept oder Verfahren, das von Impossible Foods verwendet wird, aber ich kann einen allgemeinen Überblick darüber geben, wie pflanzliche Burger wie der Impossible Burger normalerweise hergestellt werden." Anschließend werden allgemeine Schritte zur Herstellung von Variationen des traditionellen Veggie-Burgers angeführt, die man in Supermärkten findet. Aber Impossible-Burger sind überhaupt nicht wie andere!

Das ist einfach nicht gut genug, trotz der vermenschlichenden Wirkung der Antwort in der ersten Person. ChatGPT hat offenbar meinen Artikel "Anatomy of an Impossible Burger" nicht gelesen, den ich im Mai 2019 in PLOSBlogs DNA Science veröffentlicht habe. Das ist die einfachste Überschrift, die mir einfallen konnte.

Meine Quelle? Die Datenbank des Patent- und Markenamts! Die Suche hat nur ein paar Minuten gedauert. Die Patentanmeldung umfasst 52 Seiten und wurde 2017 nach jahrelangen Forschungsarbeiten eingereicht. Sie enthält Hunderte von verwandten Patenten und Veröffentlichungen, viele davon in den Mainstream-Medien. ChatGTP konnte nichts finden?

Das Werkzeug hatte keinen Zugang zu dem genauen Rezept oder Verfahren? Bei diesem Ansatz werden Hefezellen genetisch verändert, um eine Sojabohnenversion von Hämoglobin, das sogenannte Leghämoglobin, zu produzieren, das das "Mundgefühl" und das Aussehen von totem Kuhfleisch vermittelt.

Ich habe nicht nur 2019 über den Impossible Burger gebloggt, sondern auch eine Version in der dreizehnten Auflage meines Lehrbuchs veröffentlicht, also vor drei Jahren!

Aber ich bin erleichtert und nicht beleidigt, dass ich unter dem ChatGTP-Radar fliege, denn es ist schön zu wissen, dass meine Fähigkeiten noch nicht veraltet sind.

Allerdings habe ich ein Problem mit dem Schreiben von ChatGPT. In früheren Entwürfen kam es immer wieder als GTP aus meinem Gehirn, vielleicht nach dem DNA-Nukleotid GTP - Guanosintriphosphat.

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 *Der Artikel ist erstmals am 7. September 2023 in PLOS Blogs - DNA Science Blog unter dem Titel " Why I’m Not Worried that ChatGTP Will Replace Me as a Biology Textbook Author " https://dnascience.plos.org/2023/09/07/why-im-not-worried-that-chatgtp-will-replace-me-as-a-biology-textbook-author/ erschienen und steht unter einer cc-by Lizenz . Die Autorin hat sich freundlicherweise mit der Übersetzung ihrer Artikel durch ScienceBlog.at einverstanden erklärt. Der ungekürzte Artikel folgt so genau wie möglich der englischen Fassung.

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Ricki Lewis im ScienceBlog:

Links zu den bisherigen 31 Artikel aus PLOS Blogs - DNA Science Blog: https://scienceblog.at/ricki-lewis

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Do, 31.08.2023 — Redaktion

Vor wenigen Tagen erregte ein Presseartikel besonderes Aufsehen: in Australien wurde einer 64-jährigen Frau ein lebender Wurm operativ aus dem Gehirn entfernt, der aber offensichtlich noch keinen größeren Schaden verursacht hatte. Viel weniger öffentliche Aufmerksamkeit finden dagegen die weltweit auftretenden Infektionen mit dem Schweinbandwurm, in deren Verlauf die Wurmlarven Zysten im Gehirn bilden und in Folge Epilepsie auslösen können. Eine neue Arbeit in Journal eLife zeigt nun erstmals auf , dass die Wurmlarven durch Freisetzung des Neurotransmitter Glutamin eine wesentliche Rolle in der Pathophysiologie der Epilepsie spielen dürften.*

Infektionen mit dem Schweinebandwurm Taenia solium

(Taeniasis) treten weltweit auf, insbesondere in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen. Menschen infizieren sich, wenn sie rohes oder nicht durchgekochtes Fleisch von Schweinen verzehren, das Larven des Bandwurms, sogenannte Zystizerken enthält. Im Darm reifen die Zystizerken innerhalb weniger Monate zu segmentierten Bandwürmern heran, können dort Jahre verbleiben und Segmente (Proglottide) mit Eiern und auch isolierte Eier mit dem Kot absondern. Bandwurmeier, die von Bandwurmträgern im Kot ausgeschieden werden, können unter schlechten hygienischen Bedingungen über den fäkal-oralen Weg oder durch die Aufnahme von kontaminierten Lebensmitteln oder Wasser aufgenommen werden und sind direkt für Menschen und ebenso für Schweine infektiös. Sie werden zu sogenannten Oncosphären, unreifen Larvenformen, welche die Darmwand penetrieren, im System zirkulieren und sich als Zystizerken in Muskeln, Leber, Haut, Augen bis hin ins Zentralnervensystem festsetzen. Es kommt zur Zystizerkose mit zum Teil verheerenden Folgen für die menschliche Gesundheit.

Im Jahr 2015 hat die WHO-Gruppe für Epidemiologie der lebensmittelbedingten Erkrankungen T. solium als eine der Hauptursachen für lebensmittelverursachte Todesfälle identifiziert. Insgesamt dürften weltweit zumindest um die 5 Millionen Menschen an Zystizerkose leiden. Abbildung 1.

Abbildung 1. Weltweite Verbreitung der Zystizerkose 2019; Fallzahlen pro 100 000 Personen. Im Insert: vergrößertes Bild von Europa. Die Infektion wird durch Larvenformen des Schweinebandwurms verursacht und führt zur Zystenbildung in Muskelgewebe, anderen Organen und Gehirn. Ein Vergleich der Fallzahlen von 1990 und 2019 zeigt, dass die Infektionen in allen betroffenen Ländern stark abgenommen haben; weltweit von 71,3/100 000 auf 59,1/100 000 Personen. n (Bild: Our World in Data, https://ourworldindata.org/grapher/prevalence-cysticercosis. Lizenz: cc-by)

Neurozystizerkose

Bilden die Larven des Parasiten Zysten im Gehirn - dies wird als Neurozystizerkose bezeichnet -, so können Krampfanfälle und Epilepsie die Folge sein. Tatsächlich gehört die Neurozystizerkose weltweit zu den häufigsten Ursachen für erworbene Epilepsie und ein erheblicher Anteil (22-29 %) aller Epilepsiepatienten in Ländern südlich der Sahara hat eine Neurozystizerkose. Abbildung 2 gibt einen Eindruck wie sehr das Gehirn eines Patienten von Zystizerken befallen sein kann.

Abbildung 2. . Neurozystizerkose: multiple Zystizerken im Gehirn eines Patienten; Magnetresonanz-Aufnahme. (Bild: Centers for Disease Control and Prevention (CDC), gemeinfrei)

Man nimmt an, dass Krampfanfälle und Epilepsie auftreten, wenn die Zysten platzen und ihren Inhalt in das Gehirn entleeren; frühere Untersuchungen zur Entstehung dieser Erkrankungen haben sich auf die neuroinflammatorische Reaktion des Gehirns konzentriert. Interessanterweise geht man davon aus, dass Taenia solium-Larven die lokale Immunreaktion gegen ihre Vorhandesein aktiv unterdrücken, so dass sie sich über Monate oder sogar Jahre im Gehirn halten können. Abgesehen von den Arbeiten zur Neuroinflammation wurden jedoch die Auswirkungen der Larven (und ihrer Sekrete) auf die neuronale Aktivität bisher kaum erforscht. Jetzt berichtet im Fachjournal eLife ein internationales Forscherteam unter Joseph Raimondo (Universität Kapstadt) - darunter Anja de Lange und Hayley Tomes als Erstautoren - über Untersuchungen zu den Auswirkungen der Larven auf das Gehirn [1]. Die Ergebnisse haben direkte Relevanz für das Verständnis der Pathogenese akuter Anfälle (Iktogenese) und - da Anfälle zu Anfällen führen - auch chronischer Epilepsie.

Die Larven sezernieren Glutamat

Die wichtigste Erkenntnis der neuen Arbeit ist, dass die Larven und ihre Ausscheidungen einen Neurotransmitter namens Glutamat enthalten, wobei der Glutamatgehalt hoch genug ist, um die umliegenden Neuronen direkt zu aktivieren. Um dies nachzuweisen, haben die Forscher zunächst Taenia solium-Larven homogenisiert und ihre Ausscheidungsprodukte gesammelt. Anschließend haben sie Neuronen diesen Produkten ausgesetzt und gezeigt, dass die Neuronen durch diese Exposition zum Feuern von Aktionspotenzialen aktiviert wurden. Wurden aber die Glutamatrezeptoren in den Neuronen vor der Exposition mit den Larvenprodukten blockiert, so fand keine Aktivierung der Neuronen statt.

Die Forscher untersuchten dann mit Hilfe von fluoreszierenden Kalzium-Indikatoren (Calcium-Imaging), wie sich die lokale Aktivierung von Neuronen durch das Glutamat aus den Larven auf lokale Gehirnschaltkreise auswirkt. Der Anstieg des intrazellulären Kalziums steht stellvertretend für die neuronale Aktivität, so dass sich mit Hilfe der Kalzium-Bildgebung die neuronale Aktivität in den Gehirnschaltkreisen sichtbar machen lässt. Diese bildgebenden Experimente bestätigten, dass das von den Larven ausgeschiedene Glutamat eine lokale neuronale Aktivierung auslöste, die zu einer anschließenden Aktivierung synaptisch verbundener Neuronen in entfernteren Schaltstellen führte. Die Forscher haben auch andere, von den Larven abgesonderte Produkte untersucht, die möglicherweise das Feuern von Neuronen beeinflussen könnten (wie Substanz P, Acetylcholin und Kalium), aber keines dieser Produkte hatte die gleiche weitreichende Wirkung wie Glutamat. Die Ergebnisse deuten also darauf hin, dass Glutamat aus den Larven eine potenzielle Rolle bei der Entstehung und/oder Ausbreitung von Krampfanfällen spielt.

Als Nächstes zeigten de Lange et al., dass die Larvenprodukte ähnlich erregende Wirkungen in-vitro auf Gehirngewebe von Tiermodellen und auf reseziertes menschliches Gehirngewebe haben. Sie wiesen auch nach, dass Glutamat umgebendes Hirngewebe erregen kann - in anderen Studien war dies als Treiber für spätere Epilepsie nachgewiesen worden. Darüber hinaus war von anderen Teams bereits gezeigt worden, dass von Hirntumoren freigesetztes Glutamat epileptische Anfälle auslösen kann; Forscher suchen auch nach Möglichkeiten, die Glutamatfreisetzung gezielt zu steuern, um solche Anfälle zu verhindern.

Ähnliche Strategien könnten bei der Bekämpfung der Neurozystizerkose von Vorteil sein, um Anfälle zu reduzieren oder möglicherweise sogar die Entwicklung einer chronischen Epilepsie zu verhindern. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da Millionen von Neurozystizerkose-Patienten unter Krampfanfällen und Epilepsie leiden. Allerdings ist die neue Studie noch kein strikter Beweis, dass Larvenprodukte Anfälle oder Epilepsie verursachen, da sie auf der Ebene einzelner Zellen und kleiner Schaltkreise mit Mini-Mengen (Pikoliter) von Larvenprodukten durchgeführt wurde: bisher wissen wir nur, wie Neurozystizerkose zu neuronaler Übererregbarkeit führt. Abbildung 3. fasst die Ergebnisse der Studie [1] zusammen.

Abbildung 3. . Neurozystizerkose und Epilepsie. Taenia Solium ist ein Parasit, der das Gehirn infizieren und eine Neurozystizerkose verursachen kann, die eine häufige, aber schlecht verstandene Ursache für erworbene Epilepsie ist. de Lange et al. [1] haben gezeigt, dass Taenia Solium erhebliche Mengen eines Neurotransmitters namens Glutamat enthält, der Neuronen und Schaltkreise von Neuronen aktivieren kann.

Künftige Studien werden erforderlich sein, um die Auswirkungen der Larvenprodukte und der Larven selbst auf größere Schaltkreise in vivo zu verstehen und um zu untersuchen, ob/wie diese pathologische Erregung zu langfristigen Veränderungen im Gehirn führt, die spontane, wiederkehrende Anfälle auslösen. Auch nicht-glutamaterge Mechanismen, einschließlich neuroimmunologischer Prozesse, könnten für diese Veränderungen von Bedeutung sein.

Mit den aufregenden experimentellen Hinweisen und darüber hinaus mit naturnahen krankheitsrelevanten Modellen, welche die Untersuchung neuer Behandlungsansätze ermöglichen werden, bringt uns die neue Studie einem Verstehen von Epilepsie als Folge menschlicher Neurozystizerkose näher. Die Studie ist auch deshalb wichtig, weil der Neurozystizerkose - einer Krankheit, von der unverhältnismäßig viele Menschen in einkommensschwachen und unterversorgten Ländern betroffen sind - in der Vergangenheit nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Die aktuellen Ergebnisse aus Kapstadt könnten die dringend benötigte Forschung auf dem Gebiet der Neurozystizerkose in Gang gebracht haben, da sie zeigen, was Taenia solium-Larven mit den sie umgebenden neuronalen Netzwerken anstellen. Es ist Aufregend!

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[1] Anja de Lange, Hayley Tomes et al., 2023 Cestode larvae excite host neuronal circuits via glutamatergic signaling. eLife12:RP88174 https://doi.org/10.7554/eLife.88174.1

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 * Eine Zusammenfassung des Artikels von Anja de Lange, Hayley Tomes, et al., 2023, [1] verfasst von Zin-Juan Klaft und Chris Dulla ist am 23.08.2023 unter dem Titel "Epilepsy: How parasitic larvae affect the brain " im eLife-Magazin erschienen: https://doi.org/10.7554/eLife.91149. Der Text wurde von der Redaktion ins Deutsche übersetzt, mit einigen Textstellen und Abbildungen 1 und 2 ergänzt und ohne die im Originaltext zitierten Literatustellen wiedergegeben. eLife  ist ein open access Journal, alle Inhalte stehen unter einer cc-by Lizenz.

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Weiterführende Links

WHO: Taeniasis/cysticercosis (2022): https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/taeniasis-cysticercosis

JJ Medicine: Pork Tapeworm (Taeniasis) | How It Infects, Symptoms & Cysticercosis, Diagnosis, Treatment (2022). Video 16:44 min. https://www.youtube.com/watch?v=z01Wu0x0us4

Parasitäre Erkrankungen im ScienceBlog:

• Gottfried Schatz, 26.07.2012: Unheimliche Gäste — Können Parasiten unsere Persönlichkeit verändern?
• Redaktion; 21.08.2015: Paul Ehrlich – Vater der Chemotherapie
• Inge Schuster, 26.06.2022: Getrübtes Badevergnügen - Zerkarien-Dermatitis
• Bill and Melinda Gates Foundation, 02.05.2014: Der Kampf gegen Malaria
• Elena Levashina, 16.05.2019: Zum Einsatz genetisch veränderter Moskitos gegen Malaria
• Redaktion, 09.10.2015: Naturstoffe, die unsere Welt verändert haben – Nobelpreis 2015 für Medizin

 

Do, 24.08.2023 — Andreas Merian

Die Magnetresonanztomographie, kurz MRT, gehört längst zum medizinischen Alltag: Nach Sportverletzungen oder Unfällen, auf der Suche nach Tumoren oder zur Untersuchung des Gehirns werden MRT- produzierte Aufnahmen genutzt. Bisher musste man sich dabei allerdings mit Standbildern zufriedengeben. Doch der Arbeitsgruppe von Jens Frahm am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (Göttingen) gelingt es, mit der MRT Videos aufzunehmen. Die Aufnahmen in Echtzeit ermöglichen der Medizin neue Einblicke, zum Beispiel in das schlagende Herz, in Gelenke in Bewegung oder in die komplexen Vorgänge beim Singen, Sprechen oder Schlucken. Der Spektroskopiker Dr. Andreas Merian gibt einen Überblick über diese Verfahren.*

Nach einem schweren Sportunfall landet man oftmals in der Röhre. Abbildung 1. Während man in der Enge liegt, kann man dem Magnetresonanztomographen bei der Arbeit zuhören: es brummt und klackt und summt.

Abbildung 1: Magnetresonanztomographie. © J. Frahm , Investigative Radiology, Vol. 54 , Nr. 12 , 2019; istockphoto.com

Nach der Untersuchung sichtet ein Arzt oder eine Ärztin die hochaufgelösten Schwarzweißbilder, auf denen die unterschiedlichen Gewebe klar zu unterscheiden sind und ihre Struktur gut zu erkennen ist. So wird festgestellt, ob durch den Unfall Bänder oder Sehnen in Mitleidenschaft gezogen wurden. Neben der Orthopädie kommt das Bildgebungsverfahren auch in vielen anderen Bereichen der Medizin zum Einsatz, zum Beispiel auf der Suche nach Tumoren oder bei der Untersuchung des Gehirns.

Doch was passiert eigentlich, während man in der Röhre liegt? Wie entstehen die Bilder und wie unterscheidet sich das Verfahren von Röntgen und Ultraschall? Der Physiker Jens Frahm vom Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (Göttingen) war bei der Entwicklung der Magnetresonanztomographie von Anfang an dabei und sorgte dafür, dass sie die nötige Geschwindigkeit für den klinischen Alltag erreichte.

Rotierende Kerne

Abbildung 2: Kernresonanz. Kernspin und damit kernmagnetischer Dipol (oben) der Wasserstoffatomkerne des Körpers sind ohne äußeres Magnetfeld ungeordnet (unten links). Wird ein starkes statisches Magnetfeld angelegt, so richten sich die kernmagnetischen Dipole entlang der Feldlinien aus (unten rechts).© HNBM, MPG/CC BY-NC-SA 4.0

Der grundlegende physikalische Effekt hinter der MRT ist die magnetische Kernresonanz. Über 60 Prozent der Atome im menschlichen Körper sind Wasserstoffatome. Und deren Kerne haben einen Eigendrehimpuls, auch Kernspin genannt. Den Kern mit Eigendrehimpuls kann man sich wie einen Ball vorstellen, der sich um sich selbst dreht. Da die Wasserstoffkerne Protonen und damit durch den Kernspin bewegte Ladungen sind, erzeugen sie ein Magnetfeld. Der entstehende kernmagnetische Dipol richtet sich in einem von außen angelegten statischen Magnetfeld entlang der Feldlinien aus (Abbildung 2).

In einem MRT-Gerät wird durch supraleitende Spulen ein üblicherweise 1 bis 3 Tesla starkes statisches Magnetfeld erzeugt, das die Wasserstoffkerne im Körper der untersuchten Person ausrichtet. Dadurch entsteht eine makroskopische Magnetisierung entlang der Längsachse der Röhre (Abbildung 3). Ein elektromagnetisches Wechselfeld kann die Magnetisierung aus dieser Richtung auslenken. Damit das Wechselfeld die Magnetisierung kippen kann, muss seine Frequenz der Resonanzfrequenz entsprechen. Diese ist vom Atomkern und der Stärke des angelegten statischen Magnetfelds abhängig. Für Protonen bei 1 Tesla beträgt sie 42,58 MHz und liegt im UKW-Radiowellenbereich. Nach der Kippung kehrt die Magnetisierung langsam wieder in die Ausgangslage zurück. Dabei erzeugt sie ein elektromagnetisches Wechselfeld, das eine Spannung in einer Messspule induziert und so aufgezeichnet wird. Die Stärke des Signals weist auf die Protonendichte im Gewebe hin, während die Zeit bis zum Abklingen des Signals charakteristisch für die chemische Bindung der Wasserstoffatome und deren molekulare Umgebung ist.

Vom Signal zum Bild

Im Magnetresonanztomographen regt man also die magnetische Kernresonanz der Wasserstoffatome im Gewebe an, um Signale und damit Informationen aus dem Körper zu erhalten. Doch wie kann das Signal einem exakten Ort zugeordnet werden und wie setzt sich aus einer Vielzahl derartiger Informationen ein Bild zusammen?

Hier kommt der zweite Teil des Namens der Bildgebungsmethode ins Spiel, die Tomographie, was Schnittbild oder Schichtaufnahme bedeutet. Bei der MRT wird somit eine ausgewählte Schicht des Körpers dargestellt. Die sogenannte Ortskodierung ermöglicht es, aus den Messdaten Abbilder des Untersuchungsobjekts zu berechnen. Dazu werden zusätzlich zum statischen magnetischen Feld weitere Magnetfelder angeschaltet, die sich in ihrer Stärke entlang einer Achse unterscheiden. Man spricht von Gradientenfeldern (Abbildung 3). In der MRT werden klassisch drei senkrechte Gradientenfelder verwendet, die es möglich machen, ein Signal genau seinem Ursprungsort zuzuordnen. Der erste Gradient wählt die Schicht aus, die abgebildet werden soll, und die beiden anderen Gradienten erzeugen ein Gitter, wodurch Signale Bildpunkten zugeordnet werden können (Abbildung 3). Dabei macht man sich zunutze, dass ein zusätzliches Magnetfeld die Resonanzfrequenz der Wasserstoffkerne ändert und man so eine Schicht zur Anregung auswählen bzw. anschließend nachvollziehen kann, von welchem Ort ein Signal stammt. Die exakte Schaltung von Gradienten- und Wechselfeldern hängt vom spezifischen Verfahren ab und ist hochkomplex. Doch allgemein gilt: Um ein vollständiges Schichtbild zu erhalten, müssen die Gradientenfelder so oft an und wieder ausgeschaltet werden, wie das Bild letztlich Zeilen bzw. Bildpunkte in einer Dimension haben soll. Meist werden in der MRT Bilder mit bis zu 512 x 512 Bildpunkten aufgenommen. Damit die Aufnahme möglichst schnell abläuft, werden die zur Ortskodierung eingesetzten Gradientenfelder sehr schnell geschaltet, wodurch die lauten Geräusche in der Röhre entstehen.

Abbildung 3: Schema des Magnetresonanztomographs. Die zu untersuchende Person wird in der Röhre positioniert. Die äußersten Spulen (rot) erzeugen das starke statische Magnetfeld, das die Kernspins der Wasserstoffkerne ausrichtet. Die Spulen für die Gradientenfelder (grün) schalten kurzzeitig weitere (statische) Magnetfelder für die Ortskodierung zu. Radiofrequenzspulen (orange) erzeugen das magnetische Wechselfeld zur Auslenkung der Magnetisierung und dienen als Empfängerspulen für die Signale. © HNBM, MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Mittels komplexer mathematischer Verfahren lässt sich dann aus der großen Datenmenge der vielen Einzelmessungen ein zweidimensionales Schnittbild berechnen. Bis Mitte der 1980er Jahre dauerte die Aufnahme eines Schnittbildes ca. 5 Minuten, eine dreidimensionale Messung des Körpers mit beispielsweise 256 x 256 x 256 Bildpunkten sogar mehrere Stunden. Da sich während dieser Zeit der Patient auch nicht bewegen durfte, führte das dazu, dass die MRT im klinischen Alltag selten eingesetzt wurde.

Doch 1985 gelang Jens Frahm und seinem Team ein Durchbruch. „Durch FLASH eliminierten wir die Wartezeit zwischen den Einzelmessungen und beschleunigten die MRT so um einen Faktor größer 100. Plötzlich konnten einzelne Schichtbilder in Sekundenschnelle aufgenommen werden und dreidimensionale Aufnahmen dauerten nur noch wenige Minuten“, sagt Jens Frahm. Das patentierte FLASH-Verfahren wurde innerhalb eines halben Jahres von allen Herstellern von MRT-Geräten übernommen und kommt heute in allen kommerziellen Geräten zum Einsatz. Dank der Geschwindigkeit des neuen Verfahrens etablierte sich die MRT in der diagnostischen Bildgebung.

MRT vs. Röntgen und Ultraschall

Doch warum ist die MRT in der Medizin eigentlich so gefragt? Mit Röntgen, Computertomographie (CT) und Sonographie waren ja bereits verschiedene Bildgebungsverfahren etabliert. Welche Vorteile bietet die MRT gegenüber diesen Methoden?

Beim Röntgen nutzt man die kurzwellige elektromagnetische Röntgenstrahlung. Diese wird von der einen Seite auf die zu untersuchende Körperpartie gestrahlt und auf der anderen Seite detektiert. Je mehr Gewebe zwischen Strahlungsquelle und Detektor liegt und je dichter dieses Gewebe ist, desto mehr Röntgenstrahlung wird absorbiert oder gestreut. Dichte anatomische Strukturen wie Knochen heben sich somit hell gegen die dunkleren Weichteile wie Muskeln ab. Knochenbrüche können so zum Beispiel leicht diagnostiziert werden. Unterschiedliche weiche Gewebe lassen sich durchs Röntgen nur schwer unterscheiden, da hierzu der Kontrast nicht ausreichend ist. Die Computertomographie basiert auch auf Röntgenstrahlung, ermöglicht aber statt einer Durchleuchtung eine Schichtbildgebung und 3D-Aufnahmen. Da die kurzwellige Röntgenstrahlung ionisierend auf biologisches Gewebe wirkt, besteht durch die Strahlenbelastung ein erhöhtes Krebsrisiko. Deshalb wird bei einer Untersuchung nur die betreffende Stelle geröntgt und empfindliche Körperpartien werden durch eine Bleischürze geschützt. Die Strahlenbelastung verbietet es außerdem, Videos mit vielen Bildern pro Sekunde mit Röntgenapparat oder CT aufzunehmen.

Bei der Sonographie werden mechanische Ultraschallwellen in den Körper gesandt und deren Echo aufgezeichnet. Mit der Sonde, die den Ultraschall aussendet und detektiert, wird über die betreffenden Körperstellen gefahren. Aus der Laufzeit und der Amplitude des Echos berechnet ein Computer dann in Echtzeit Bilder. Von der Sonde werden die Ultraschallwellen fächerartig in den Körper ausgesandt. So entsteht typischerweise ein Schnittbild entlang der Ebene dieses Fächers. Moderne Geräte ermöglichen aber auch 3D-Bilder. Je stärker ein Gewebe den Schall zurückwirft, desto heller erscheint es auf den Bildern. Dadurch entsteht der Kontrast im Bild. Da die Eindringtiefe des Ultraschalls begrenzt ist, werden tief liegende oder verdeckte anatomische Strukturen kaum oder nicht aufgelöst. Dies schränkt die Nutzung der Sonographie ein. Je nach medizinischer Fragestellung können Ärztinnen und Ärzte einzelne Bilder aufnehmen oder in Echtzeit mit Videobildrate das Geschehen im Körper verfolgen. Die sonographische Untersuchung hängt in ihrer Qualität stark vom Untersuchenden ab und ist schlecht wiederholbar. Vorteil der Sonographie ist, dass sie nichtinvasiv und risikoarm ist, weshalb sie beispielsweise in der Schwangerschaftsvorsorge eingesetzt wird.

Stärken der MRT sind der hervorragende Weichteilkontrast und die hohe räumliche Auflösung. So entstehen scharfe Bilder des gesamten Körperinneren. Außerdem sind sowohl die Radiowellen als auch die statischen Magnetfelder gesundheitlich unbedenklich. Ganzkörperscans oder wiederholte Untersuchungen bedeuten also kein zusätzliches gesundheitliches Risiko. Seit der Einführung von FLASH hat sich die Geschwindigkeit der MRT lange Zeit nicht verändert. Das bedeutete, dass zwar MRT-Aufnahmen im medizinischen Alltag kein Problem, aber MRT-Videos bewegter Vorgänge aus dem Körperinneren ein Ding der Unmöglichkeit waren: An Videos mit Bildraten von 20 Bildern pro Sekunde oder mehr war nicht zu denken. „Nach der Entwicklung von FLASH sahen wir zunächst keine weitere Möglichkeit, die MRT zu beschleunigen“, sagt Jens Frahm. Doch die Idee einer noch schnelleren MRT spukte ihm weiter im Kopf herum.

Echtzeit durch Hochleistungsrechner

Bis es soweit war, dauerte es 25 Jahre. Aber seit dem Durchbruch, den Jens Frahm mit seinem Team 2010 feierte, kann er sagen: „Wir haben es geschafft, die MRT-Bildgebung weiter zu beschleunigen! So ist uns sozusagen der Schritt vom Foto zum Film gelungen. Und das eröffnet ganz neue diagnostische Möglichkeiten, zum Beispiel weil das schlagende Herz genau dargestellt werden kann.“ Im Vergleich zur MRT vor 1985 gelang es Jens Frahm und seinem Team, die Aufnahmegeschwindigkeit insgesamt um einen Faktor 10.000 zu steigern. Nun können die Forschenden Schichtbilder mit einer Bildrate von bis zu 100 Bildern pro Sekunde aufnehmen. Sie nennen ihre Technik Echtzeit-MRT. „Möglich gemacht haben diese Entwicklung zum einen Fortschritte in der numerischen Mathematik und zum anderen die Verfügbarkeit von leistungsstarken Grafikkartenrechnern“, erläutert Jens Frahm. Denn die Beschleunigung des Verfahrens beruht nicht wie bei FLASH darauf, dass die Einzelmessungen schneller werden. „Wir messen einfach weniger oft und nutzen dann ein neues mathematisches Verfahren, um aus den für eine klassische Berechnung ungenügenden Daten ein aussagekräftiges Bild zu erzeugen.“ Dazu wenden die Forschenden die radiale Ortskodierung an (Abbildung 4).

Abbildung 4: Echtzeit-MRT durch radiale Ortskodierung: Anstatt wie herkömmlich durch die Gradientenfelder ein Gitter zu erzeugen, laufen die verwendeten radialen Gradienten wie Speichen durch die Mitte eines Rades (links). Dabei werden für jedes Schichtbild aber weniger Einzelmessungen als nötig aufgenommen. Die fehlenden Informationen werden anschließend durch die Lösung eines komplexen mathematischen Problems ermittelt. So lassen sich z.B. Videos des Schluckvorgangs mit einer Zeitauflösung von nur 40 ms aufnehmen. Auf den Einzelbildern aus dem Video hebt sich die getrunkene Flüssigkeit weiß ab (rechts). © links: HNBM, MPG / CC BY-NC-SA 4.0; rechts © J. Frahm et al.: Real-Time Magnetic Resonance Imaging. Investigative Radiology, Vol. 54, Nr. 12, 2019

Entscheidend ist, dass für jedes Schichtbild je nach Anwendung um einen Faktor 10 bis 40 weniger Einzelmessungen durchgeführt werden als eigentlich nötig. Dadurch wird die Aufnahme genau um diesen Faktor schneller. Die fehlenden Informationen werden anschließend durch die Lösung des nichtlinearen inversen Problems rekonstruiert. Durch dieses mathematische Verfahren wird das Bild nicht direkt aus den Daten rekonstruiert, sondern ausgehend von einem Startbild – üblicherweise dem letzten aufgenommenen Bild – geschätzt. Aus dem geschätzten Bild lassen sich die Daten berechnen, die die Messspulen aufgenommen haben müssten, um dieses zu erzeugen. Und die kann man wiederum mit den tatsächlich aufgenommenen Daten abgleichen. In einem schrittweisen Prozess kann das geschätzte Bild so optimiert werden, dass es möglichst genau zu den Messwerten passt. Das klappt dank der Entwicklungen von Jens Frahms Team so gut, dass die Bildqualität ausreichend für die medizinische Diagnostik ist. Da dieser Ablauf die eigentliche Bildentstehung in der MRT auf den Kopf stellt, spricht man von einem inversen Problem. Die Lösung dieses Problems und damit die Echtzeit-MRT erfordert eine sehr große Rechenleistung. Was sie allerdings nicht benötigt, ist ein besonderes MRT-Gerät. So könnten alle bereits in Kliniken vorhandenen Geräte durch einen leistungsfähigen Grafikkartenrechner für die Datenverarbeitung erweitert werden.

Live-Videos aus dem Körper

Der Echtzeit-MRT eröffnen sich viele Anwendungsfelder: So kann ein Kardiologe direkt das schlagende Herz beobachten und beispielsweise Herzrhythmusstörungen genau analysieren. Auch das Schlucken und Schluckbeschwerden können durch die Echtzeit-MRT erstmals untersucht werden. Neben klassischen medizinischen Anwendungen ist Jens Frahm auch auf großes Interesse in der Musik und Phonetik gestoßen: Wie genau werden beim Sprechen Töne erzeugt? Wie beim Beatboxen? Und was unterscheidet einen herausragenden Hornisten von einem Anfänger oder Fortgeschrittenen? Durch die neuen Möglichkeiten der Echtzeit-MRT können beispielsweise die Bewegungen der Zunge im Mundraum genau untersucht und quantifiziert werden.

Abbildung 5: Messen in Millisekunden: Schichtbild aus dem Gehirn eines 4 Jahre alten Kindes. Links: Die herkömmliche MRT mit einer Messzeit von 38 s liefert ein verschwommenes Bild, da sich das Kind offensichtlich während der Messung bewegt hat. Rechts: Die Echtzeit-MRT mit einer Messzeit von 50 ms erzeugt ein scharfes Bild, das zur Diagnostik genutzt werden kann. © Verändert nach: D. Gräfe et al.: Outpacing movement — ultrafast volume coverage in neuropediatric magnetic resonance imaging. Pediatr Radiol 50, 2020. / CC BY 4.0

Die neue Methode beschleunigt auch die Untersuchung ganzer Körperteile mittels überlappender Schichtbilder, die nun in nur wenigen Sekunden gemessen werden (Abbildung 5). Dies ist gerade in der Kinderheilkunde ein großer Vorteil. Denn Säuglinge und Kleinkinder halten nicht lange genug still, um mit der konventionellen MRT beispielsweise eine vollständige Bildgebung des Schädels durchzuführen. Daher ist bisher oft eine risikobehaftete Narkose notwendig. „Unsere Kooperationspartner an der Universitätsklinik Leipzig haben in den letzten Jahren festgestellt, dass mit der Echtzeit-MRT in mindestens der Hälfte aller Fälle keine Narkose notwendig ist“, sagt Jens Frahm.

Der Forscher ist an seinem Ziel angekommen: Live-Videos aus dem Körper dank MRT. Und seit dem Durchbruch 2010 zeigte sich, dass die beschleunigte Methode zahlreiche neue Anwendungen ermöglicht. „Wir müssen aber erst lernen, die Echtzeit-MRT diagnostisch zu nutzen. Auch für das medizinische Personal ergeben sich neue Anforderungen und notwendige Erprobungsphasen. Die technischen Fortschritte müssen in belastbare Untersuchungsprotokolle ‚übersetzt’ werden, die die jeweiligen medizinischen Fragestellungen optimal beantworten.“

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* Der Artikel von Andreas Merian ist unter dem Titel: "Liveschaltung in den Körper - Neue Einblicke mit der Echtzeit-MRT" https://www.max-wissen.de/max-hefte/techmax-33-echtzeit-mrt/ im Techmax33-Heft der Max-Planck-Gesellschaft im Frühjahr 2023 erschienen. Mit Ausnahme des Titels wurde der unter einer cc-by-nc-sa Lizenz stehende Artikel unverändert in den Blog übernommen.

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 Weiterführende Links

Echtzeit-MRT-Film: Sprechen Video 2:16 min (2018) https://www.youtube.com/watch?v=6dAEE7FYQfc Copyright: Jens Frahm / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Jens Frahm - Schnellere MRT in Echtzeit: Video 6:05 min. (2018) https://www.youtube.com/watch?v=lYQXsMWfJT4

Roland Wengenmayr: Liveschaltung zum Krankheitsherd. (2017) https://www.mpg.de/11248354/W003_Material_Technik_054-061.pdf

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Do. 17.08.2023 — Redaktion

Als wertvolle und noch wenig genutzte Ressource aus den Ozeanen und Meeren bieten Algen ein weites Spektrum an gesundheitlichen und ökologischen Vorteilen. Auf Grund ihres hohen Verwertungspotenzials wachsen Nachfrage und Markt für Seetang, "Meersalat" und andere Algen. Um deren Produktion in Europa zu steigern, hat die Europäische Kommission 2022 einen Aktionsplan herausgegeben, in dem intensivierte Forschung zur Optimierung der Algenarten und Züchtungstechnologien eine zentrale Rolle spielen. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über die Forschung, die von der EU finanziert wird.*

Wenn auch die Vorstellung noch nicht verlockend ist, dass man fermentierten Seetang den Mahlzeiten daheim zufügt, so wird sich das bald ändern, glaubt Ólavur Gregersen. Seit zehn Jahren experimentieren Gregersen und seine Familie auf den Färöer-Inseln mit allen Arten einer durch Algen inspirierten Küche. Die Ergebnisse reichen von Algenbutter bis zu seinem neuen Lieblingsgericht: Algenpesto.

Tägliche Dosis

"Wir achten wir darauf, dass wir täglich einen Esslöffel Algen zu einer unserer Mahlzeiten essen", so Gregersen. Ob zum Frühstück über das Joghurt gestreut, über den Salat zum Mittagessen oder über Fleisch und Fisch am Abend - er ist überzeugt, dass Algen nicht nur gut schmecken, sondern auch von großem Nutzen sowohl für die Gesundheit als auch die Umwelt sind.

Was die menschliche Gesundheit betrifft, so ist Seetang vollgepackt mit essenziellen Nährstoffen wie Eiweiß und Omega-3-Fettsäuren. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit hat 2019 auf Seetang als ein "Superfood" hingewiesen und dessen hohen Nährwert angeführt.

Abbildung 1. Wegen des Nutzens für Gesundheit und Umwelt will Europa die Produktion von Meeresalgen ausweiten. Bildnachweis: Bjoertvedt, CC BY-SA 4.0

Auch aus ökologischer Sicht bieten die Algen viele Vorteile: Sie "saugen" CO₂ auf und benötigen weder Zusatzstoffe noch Dünger oder Frischwasser. Einem Bericht der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2023 zufolge hat die Algenzucht das Potenzial, "viele" Vorteile für die Umwelt zu bieten, darunter auch für den Kampf gegen den Klimawandel. In Kenntnis des gesamten Potentials hat die Europäische Kommission 2022 einen Aktionsplan zur Steigerung der Produktion von Meeralgen in Europa herausgegeben [1]. Die Intensivierung der Forschung ist ein zentraler Bestandteil der Strategie, ebenso wie eine verbesserte Gesetzgebung, eine gezielte Unternehmensförderung und eine stärkere öffentliche Wahrnehmung. Abbildung 1.

Meeralgen können im offenen Meer oder in Tanks an Land gezüchtet werden. Die EU gehört derzeit zu den weltweit größten Importeuren von Meeresalgen, die aus China, Südkorea und Chile zur Nutzung als Lebensmittel und für industrielle Zwecke (beispielsweise Düngemittel) geliefert werden.

Im Jahr 2021 belief sich der Weltmarkt für Meeralgen auf fast 14 Milliarden Euro und er soll nach Angaben der niederländischen Regierung bis 2028 voraussichtlich auf mehr als 22 Milliarden Euro anwachsen.

Da die Nachfrage in Europa von 270 000 Tonnen im Jahr 2019 laut EU auf 8 Mio. Tonnen bis 2030 steigen dürfte, könnte der europäische Markt für Meeralgen im Jahr 2030 einen Wert von 9 Mrd. EUR erreichen. Durch die steigende Produktion in Europa könnten rund 85 000 Arbeitsplätze geschaffen werden.

Lebensmittel, Futtermittel und mehr

Gregersen ist Unternehmer und Mitbegründer des Unternehmens Ocean Rainforest, das seit 2010 auf den Färöer Inseln Pionierarbeit bei der Züchtung von Meeresalgen vor der Küste leistet. Er koordiniert auch ein europäisches, mit EU-Mitteln gefördertes Forschungsprojekt, um neue Produkte auf Algenbasis zu entwickeln. Die vierjährige Initiative mit dem Namen SeaMark läuft bis Juni 2026 [2].

Gregersen sieht in Europa ein großes ungenutztes Potenzial für Seetang, der in der asiatischen Küche jaseit Jahrhunderten ein Grundnahrungsmittel ist. Er möchte beweisen, dass in Europa die Züchtung von Meeralgen gewinnbringend sein kann und für diese vielfältige Verwendungsmöglichkeiten bestehen. Im Rahmen des Projekts werden 12 Produkte entwickelt, die von Lebensmittelzutaten und Futtermittelzusatzstoffen bis hin zu Nahrungsergänzungsmitteln und Verpackungsmaterial reichen [2]. Konkrete Beispiele sind Algenfasern, die auf Grund ihrer wasserbindenden und gelbildenden Eigenschaften in Lebensmitteln Anwendung finden, Beta-Glucane für die Hautpflege und Verbindungen für pelletierte Bio-Verpackungsmaterialien.

"Mit Seamark wollen wir zeigen, dass es möglich ist, den Prozess der Algenzüchtung effizienter zu gestalten und dass es in Europa einen großen Markt für diese Produkte gibt", so Gregersen.

Ein Teil des Projekts befasst sich mit der Weiterentwicklung der milchsauren Vergärung (Laktofermentation) von Meeresalgen, damit diese in Tierfutter verwendet werden können. Erste Ergebnisse an mit Algen gefütterten Schweinen haben gezeigt, dass diese infolge verbesserter Mikroflora im Darm mehr Milch produzierten und weniger Futter benötigten. Dies wird nun mit 500 Mutterschweinen in einem Betrieb in Dänemark untersucht.

Wachstumspotenzial

Was die Züchtung betrifft, so ist die für SeaMark besonders interessante Algenart eine Braunalge, die als Zuckertang bekannt ist, wie Lasagne-Nudeln aussieht und einen süßen Geschmack hat. Sie ist auch unter dem Namen Saccharina latissima bekannt und wächst in der Natur an den Küsten Nordeuropas und im Süden bis nach Galicien in Spanien. Zuckertang lässt sich schnell züchten und ist daher ideal für die Produktion, solange die Kosten niedrig gehalten werden können. Abbildung 2.

Abbildung 2. Der Forscher Mike Murphy hält eine Saccharina latissima (Zuckertang) hoch. Bild: Wikipedia, gemeinfrei

Eine eng verwandte Art ist in der japanischen Küche bekannt und wird in Japan als "Kombu" geerntet und verkauft.

Auf den Färöer Inseln, wo Temperatur, Nährstoffe und Licht optimal für das Wachstum von Algen sind, hat das SeaMark-Team neue Geräte getestet, die im Meer die Anzucht der Algen beschleunigen - das Äquivalent zur Aussaat von Samenreihen auf einem Acker. Unabhängig davon werden im Rahmen des Projekts Maschinen getestet, die die Ernte beschleunigen, sobald die Biomasse bereit steht. Die Geräte können laut Gregersen zeitaufwändige Handarbeit ersetzen, die Produktionskosten senken und den Weg für eine höhere Produktion ebnen.

Ocean Rainforest weitet seine Aktivitäten mit Versuchen zum Offshore-Anbau in Norwegen und zum Anbau von Meeresalgen an Land in Island aus.

Seetang-Stämme

An der Westküste Irlands stützt sich SeaMark auf das Fachwissen des Algenspezialisten Dr. Ronan Sulpice von der Universität von Galway. Sulpice hilft bei der Identifizierung der besten Algenstämme für die Züchtung von Zuckertang und der als Meersalat bekannten Ulva, die neben ihrem Nährwert auch Stoffe enthält, die zur Herstellung von Arzneimitteln extrahiert werden können. Ziel ist es, hohe Erträge und optimale Qualität - insbesondere hinsichtlich des Proteingehalts - zu gewährleisten.

Sulpice leitet auch ein separates, von der EU finanziertes Forschungsprojekt, um Algenstämmen zu identifizieren, die sich ideal für die Aquakultur eignen. Das Projekt mit der Bezeichnung ASPIRE dauert bei einer Laufzeit von zwei Jahren bis September 2024 [3].

Um Saatgut für die Zucht zu finden, fahren Algenzüchter in der Regel ins Meer hinaus oder die Küste entlang, um Wildstämme zu sammeln. Diese Praxis bedeutet jedoch, dass die gezüchteten Algen von Jahr zu Jahr stark variieren können. Angesichts des zunehmenden Interesses an diesen Pflanzen möchte Sulpice den Farmern helfen, die Auswahl der Sorten zu verbessern und die Produktion zu steigern.

"Die Art und Weise, wie wir derzeit in Europa Saatgut für Meeresalgen züchten, ähnelt der Art und Weise, wie wir vor 10 000 Jahren Landpflanzen angebaut haben - dies ist noch sehr urtümlich, aber die Entwicklung schreitet fort", sagte er. ASPIRE bietet die Möglichkeit, Algensorten zu züchten, die nach den Wünschen der Erzeuger und Verbraucher ausgewählt wurden.

Portugal, Irland untersuchen

Sulpice hat bereits portugiesischen Züchtern, die Ulva anbauen, geholfen, indem er verschiedene Stämme, die an sein Labor in Irland geschickt wurden, untersucht hat. Die Ergebnisse haben erhebliche Unterschiede in den Wachstumsraten zwischen den besten und den schlechtesten Stämmen gezeigt; einige lieferten fünfmal mehr Biomasse. Dank dieser Erkenntnisse konnte ein Betrieb in Portugal seine Produktivität verdoppeln, so Sulpice.

Das Hauptaugenmerk von ASPIRE liegt jedoch auf einer rötlich-braunen Meeresalge namens Palmaria palmata. Sie hat einen hohen Proteingehalt, wächst im Atlantik von Schweden bis Portugal und schmeckt gebraten wie Speck. Die Nachfrage nach Palmaria palmata, auch bekannt als Lappentang, Dulse oder Dillisk, ist groß und die Ernte kann bis zu 250 € pro Kilogramm einbringen. Im Vergleich dazu kostete importierter Seetang in Teilen Europas etwa 6 € pro Kilogramm im Jahr 2020.

Sulpice ist überzeugt, dass ASPIRE den Algenunternehmen in Europa, einschließlich der irischen Unternehmen, helfen kann, dieses Potenzial zu nutzen. Ein solches Unternehmen ist Mungo Murphy's Seaweed, eine Meeresalgenfarm im Bezirk Connemara im Westen Irlands. Seit 2014 züchtet Mungo Murphy's Algen wie Ulva und Palmaria palmata zusammen mit Abalonen (Meeresschnecken) und Seegurken in Becken an Land an. Laut Cindy O'Brien, die das Unternehmen gegründet und die Farm aufgebaut hat, ist dies eine Form von Aquakultur, die in Irland zunehmend an Bedeutung gewinnt. Sie betreibt diese jetzt zusammen mit ihrer Tochter Sinead. Abbildung 3.

Abbildung 3. Sinead O'Brien mit einer Handvoll Seetang. © Mungo Murphy’s Seaweed Co

Attraktivität für den Verbraucher

Mungo Murphy's hofft, dass die Zusammenarbeit mit Sulpice die Möglichkeit bietet, die angebauten Produkte weiter zu entwickeln. "Diese Zusammenarbeit wird es uns ermöglichen, mehr Rohmaterial durch Aquakultur zu produzieren und nicht von wild geerntetem Seetang abhängig zu sein", sagt Cindy O'Brien.

Die auf der Farm gezüchteten Algen werden zu einer Reihe von Verbraucherprodukten verarbeitet. Dazu gehören Kosmetika wie Algen-gefüllte Badesäckchen und Gesichtsmasken und Lebensmittel wie Algengewürze für Suppen, Brote, Salate und sogar Popcorn. O'Brien sagt, dass die Menschen oft von der Vielseitigkeit der Algen überrascht sind. Mungo Murphy empfiehlt Köchen  Algen in ihren Gerichten zu verwenden und hebt ihren Einsatz in Konsumgütern hervor.

ASPIRE ist nun in der Hälfte seiner Laufzeit; O'Brien rechnet damit, dass das Projekt dazu beitragen wird, die allgemeine Attraktivität von Algen zu erhöhen."Das wird uns helfen, mehr gesunde Produkte für den menschlichen Verzehr herzustellen", sagte sie.

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[1] United Nations Environment Programme (2023). Seaweed Farming: Assessment on the Potential of Sustainable Upscaling for Climate, Communities and the Planet. Nairobi.https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/42642/seaweed_farming_climate.pdf?sequence=3&isAllowed=y

[2] SeaMark - Seaweed based market applications. https://cordis.europa.eu/project/id/101060379

[3] ASPIRE - Accelerated Seaweed Production for Innovative and Robust seaweed aquaculture in Europe.. https://cordis.europa.eu/project/id/101066815/de

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*Dieser Artikel wurde ursprünglich am 9. August 2023 von Andrew Dunne in Horizon, the EU Research and Innovation Magazine unter dem Titel "From butter to baths, seaweed’s potential is being tapped in Europe" https://ec.europa.eu/research-and-innovation/en/horizon-magazine/butter-baths-seaweeds-potential-being-tapped-europe publiziert. Der unter einer cc-by-Lizenz stehende Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu aus dem Englischen übersetzt. Abbildung 2 und Beschriftung wurden von der Redaktion eingefügt.

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Über Braunalgen im ScienceBlog:

Susanne Coelho, 02.09.2021: Das Privatleben der Braunalgen: Ursprünge und Evolution einer vielzelligen, sexuellen Entwicklung

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Fr, 11.08.2023 — Redaktion

Das menschliche Genom kodiert für etwa 20 000 Protein. Viele dieser Proteine sind noch nicht charakterisiert und ihre Funktion ist unbekannt. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf bereits gut untersuchten Proteinen; dies gibt zur Besorgnis Anlass, dass in den vernachlässigten Teilen des Genoms/Proteoms wichtige biologische Prozesse kodiert sind. Um dem entgegenzuwirken, hat ein britisches Forscherteam eine "Unknome-Datenbank" entwickelt, in der die Proteine danach geordnet sind, wie wenig über sie bekannt ist. Die Datenbank soll die Auswahl bislang schlecht oder gar nicht charakterisierter Proteine von Menschen oder Modellorganismen erleichtern, damit sie gezielt untersucht werden können.

Das Human Genome Project

Mit der (nahezu) vollständigen Sequenzierung des menschlichen Genoms vor 20 Jahren ist zweifellos eine neue Ära der Biowissenschaften angebrochen. Tausende Wissenschafter, die rund um den Globus am Human Genome Project beteiligt waren, konnten einen lange angezweifelten Erfolg von "Big Science" feiern und eröffneten ein Eldorado an genetischen Informationen, das für jeden Interessierten frei zugänglich ist. Forscher wie Geldgeber (aus staatlichen Organisationen und Industrie) gingen davon aus, dass man nun schnell zu einem neuen Verständnis der Biologie des Menschen und seiner Krankheiten gelangen würde. Man erhoffte so in wenigen Jahren viele neue Zielstrukturen (Targets), die zumeist Proteine sind, für die Entwicklung erfolgversprechender Medikamente zu entdecken. Um den damaligen US-Präsidenten Bill Clinton anlässlich der Präsentation des ersten drafts des Human Genome Projects im Juni 2000 zu zitieren "werde das Projekt die Diagnose, Prävention und Therapie der meisten, wenn nicht aller Erkrankungen des Menschen revolutionieren “ und als eine wesentliche Aufgabe sah Clinton: "wir müssen die Fülle von Genomdaten durchforsten, um jedes menschliche Gen zu identifizieren. Wir müssen die Funktion dieser Gene und ihrer Proteinprodukte herausfinden, und dann müssen wir dieses Wissen schnell in Behandlungen umsetzen, die das Leben verlängern und bereichern können" [1].

20 Jahre später sind auch die letzten Lücken im menschlichen Genom geschlossen. Mit neuen Technologien, die einen Preissturz der Sequenzierungen herbeiführten und sie beinahe schon für jeden erschwinglich machten, wurden bislang die Genome von mehr als einer Million Menschen sequenziert. Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Schema der Genomsequenzierung.

Abbildung 1 Schema der Gensequenzierung. Francis S. Collins, berühmter Pionier der Genforschung und damals Direktor des National Human Genome Research Institute (NHGRI) der NIH war de facto Leiter des aus Tausenden Forschern bestehenden International Human Genome Sequencing Consortium im Humangenomprojekt. Das NHGRI spielte darin eine wichtige Rolle Viele der neuen Technologien wurden im Rahmen und mit Unterstützung des Genomtechnologie-Programms des NHGRI entwickelt. (Bild: https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/DNA-Sequencing-Fact-Sheet; cc 0)

Es wurden bislang zahlreiche Gene identifiziert , die mit Krankheiten assoziiert sind; dies kann frühe Diagnosen ermöglichen, bevor noch klinische Symptome auftreten. Zu den wichtigsten Erkenntnissen der Genomanalyse zählen zweifellos die Variationen in unseren Genen, die jeden von uns zu einem unterschiedlichen Individuum machen und sich auch auf unseren gesundheitlichen Status und auf das Krankheitsrisiko auswirken. In Folge ist eine Personalisierte Medizin entstanden, die diese Informationen in gezielte individuelle Behandlungen umsetzen möchte. (Basierend auf dem Genom eines Patienten können beispielsweise die für ihn geeignetsten - d.i. wirksamsten, nebenwirkungsärmsten - Medikamente ermittelt werden.)

Viele Gene und Proteine liegen noch im Dunkeln

Die Kenntnis aller Gensequenzen hat allerdings nicht zu einem wesentlichen Anstieg der Entdeckungsrate neuer Genfunktionen geführt, diese ist seit 2000 sogar noch zurück gegangen [2]. Es gibt einen hohen Anteil an Genen, deren Funktion unzureichend oder noch gar nicht charakterisiert ist. Dies gilt auch für die Charakterisierung der Proteine. Insgesamt enthält das Humangenom den Bauplan (d.h. es kodiert) für etwa 20.000 Proteine, Tausende davon waren zuvor in biochemischen und/oder genetischen Studien noch nicht identifiziert worden. Für viele dieser neuen Proteine ist auch 20 Jahre nach ihrer Entdeckung die Funktion noch unbekannt.

Ein rezenter Überblick über die biomedizinische Literatur bis 2017 zeigt, dass von rund 2000 Proteinen praktisch noch keine Informationen vorliegen und von rund 4600 Proteinen nur spärliche (d.i. 1 bis 10) Veröffentlichungen, dass also 37 % unserer Proteine nur unzureichend beschrieben sind [2]. Abbildung 2. Dagegen handelt es sich bei den am häufigsten - d.i. in mehr als 500 Veröffentlichungen - publizierten Genen und auch Proteinen um Biomoleküle, die ohnehin bereits gut charakterisiert sind.

Wie die Autoren des Übersichtartikels schlussfolgern "gibt es keine offensichtlichen wissenschaftlichen oder finanziellen Gründe für den Rückgang bei der Entdeckung biomolekularer Mechanismen; wahrscheinlich regen die derzeitigen Instrumente der Wissenschaftsförderung Forscher nicht dazu an oder entmutigen sie sogar sich mit den schwierigen Probleme der Entdeckung von Genfunktionen abzugeben."[2].

Natürlich ist auch eine gewisse Bequemlichkeit nicht von der Hand zu weisen. Der Ausflug ins Neuland erfordert ja proteinspezifische Reagenzien - Antikörper, Inhibitoren - und die Suche nach in vitro Systemen, die das neue Protein in ausreichendem Maße exprimieren.

Abbildung 2. Status der bis 2017 vorhandenen Literatur zu Proteinen und für Proteine codierende Gene im humanen Genom. A) Anteil der Proteine, die in <1 bis >500 Veröffentlichungen beschrieben wurden. B) 94 % der gesamten Literatur über Protein-kodierende Gene bezieht sich auf solche, über die in mehr als 500, bzw. 100 bis 500 Arbeiten berichtet wurde. (Bild aus [2]: Sinha et al., Proteomics 18, 2018. https://doi.org/10.1002/pmic.201800093    PMID: 30265449. Lizenz: cc-by-nc.)

Die Unknome Datenbank ...........

Die wissenschaftliche Forschung hat sich also bis jetzt auf gut untersuchte Proteine konzentriert und schlecht erforschte Gene mit möglicherweise wichtigen physiologischen Funktionen vernachlässigt. Dies hat zu der Besorgnis geführt, dass wichtige Grundlagen oder klinische Erkenntnisse sowie das Potenzial für therapeutische Interventionen unerkannt bleiben; mehrere Initiativen wurden daher gestartet, um das Problem anzugehen.

Eine dieser Initiativen ist die von Wissenschaftern in Großbritannien eingerichtete frei zugängliche, benutzergseteuerte Datenbank "Unknome" (zusammengesetzt aus "Unknown" und "Genome"), die anderen Wissenschaftern einen Anreiz geben soll , Licht in das Dunkel der unerforschten Gene/Genprodukte zu bringen (homepage: https://unknome.mrc-lmb.cam.ac.uk/about/) [3].

In der "Unknome"-Datenbank wird jedes Protein anhand eines "Bekanntheitsgrades" (Score) danach eingestuft, wie viel oder wie wenig die Wissenschaftler darüber - u.a. über Funktion, artenübergreifende Konservierung in Spezies, Lokalisierung in Zellen, etc. - wissen.

..............und ihre Brauchbarkeit zur Identifizierung von Funktionen bislang unbekannter Gene

Um die Brauchbarkeit von Unknome als Grundlage für experimentelle Arbeiten zu bewerten, haben die Forscher eine Reihe von 260 menschlichen Proteinen ausgewählt, die in orthologer Form (d.i. in hoch konservierter Basenabfolge) auch in dem Modellorganismus der Fliege Drosophila vorliegen, und deren Funktion in beiden Spezies noch unbekannt war (Score < 1) [3]. Um den Beitrag dieser orthologen Gene zu einem breiten Spektrum biologischer Prozesse zu testen, haben sie diese Gene nacheinander (mit Hilfe von RNA-Interferenz) (partiell) ausgeschaltet. Für 62 dieser Gene war ein kompletter Knockout mit dem Überleben der Fliege nicht vereinbar. Unter den restlichen nicht-essentiellen Genen wurden 59 entdeckt, die zu wichtigen biologischen Funktionen beitragen, darunter zu Fertilität, Entwicklung, Gewebewachstum, Qualitätskontrolle von Proteinen (Entfernung schadhafter Proteine), Widerstandsfähigkeit gegen Stress, Fortbewegung, Signalübertragung über den Notch-Signalweg [3].

Ob und welche Effekte die orthologen Gene beim Menschen haben, ist noch nicht untersucht. Jedenfalls kann aber gefolgert werden, dass in den bislang vernachlässigten Teilen des Genoms/Proteoms wichtige biologische Prozesse kodiert sind.

Fazit

Die Unknome-Datenbank ist eine Ressource für Forscher, welche die Chancen unerforschter Bereiche der Biologie nutzen wollen. In ihrer Studie zeigen die britischen Forscher auf, dass trotz jahrzehntelanger umfangreicher genetischer Untersuchungen es offensichtlich viele Fliegengene gibt, deren essentielle Funktionen noch unbekannt sind; dasselbe gilt auch für die orthologen Gene des Menschen. Die Forscher hoffen, dass sich diese Datenbank mit zunehmender Nutzung in den kommenden Jahren verkleinern und neue biologische und therapeutische Erkenntnisse liefern wird. Dabei ist nicht auszuschließen, dass man auf völlig neue Bereiche biologischer Funktionen stößt.

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[1] June 2000 White House Event: https://www.genome.gov/10001356/june-2000-white-house-event

[2] S. Sinha et al., Darkness in the Human Gene and Protein Function Space: Widely Modest or Absent Illumination by the Life Science Literature and the Trend for Fewer Protein Function Discoveries Since 2000. Proteomics 2018, 18, 1800093. DOI: 10.1002/pmic.201800093

[3] Rocha JJ, et al. (2023) Functional unknomics: Systematic screening of conserved genes of unknown function. PLoS Biol 21(8): e3002222. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002222

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Fr, 04.08.2023— IIASA

Bei der Verringerung der Luftverschmutzung steht Europa noch vor zahlreichen Herausforderungen. Ein Zuviel an reaktivem Stickstoff (Nr) - dieser schließt Stickoxide (NOx) und Ammoniak (NH₃) mit ei n - trägt in Europa stark zur Luftverschmutzung durch Feinstaub (PM_2.5) bei und stellt eine Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar. In der Entwicklung kosteneffizienter Fahrpläne zur Reduzierung der PM2,5-Belastung müssen sowohl die Effizienz der Reduzierung als auch die Implementierungskosten berücksichtigt werden. Ein internationales Team aus Forschern des IIAS A (International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA, Laxenburg bei Wien), der Universität für Bodenkultur (Wien), der Universität von Zielona Gora (Polen) und der Peking University haben in einer neuen Studie die Reduzierung von Ammoniakemissionen als kosteneffiziente Maßnahme zur Verringerung der Feinstaubkonzentration in der Atmosphäre ermittelt.*

Zu den weltweit, auch in Europa führenden Umweltrisikofaktoren für vorzeitige Todesfälle zählen Verschmutzungspartikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometer in der uns umgebenden Luft; diese werden auch als Feinstaub oder PM2,5 (PM: Particulate Matter)bezeichnet. Zwar konnten bereits die Emissionen von Luftschadstoffen wie Schwefeldioxid, Feinstaub und Stickoxiden erfolgreich reduziert werden konnten, es werden aber die neuen von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) festgelegten Richtlinien für Luftqualität (PM2,5-Jahresmittel 5 μg/m3) in vielen Teilen des Kontinents immer noch überschritten: im Jahr 2019 war dies für 97 % der europäischen Messstationen der Fall.

Ein Zuviel an reaktivem Stickstoff (Nr), inklusive Stickoxiden (NOx = NO + NO₂), Ammoniak (NH₃), Nitrat (NO₃-) und Ammonium (NH₄⁺), ist eine anerkannte Umweltbedrohung für Ökosysteme und verschlechtert die Qualität von Luft, Boden und Wasser. Die anthropogenen Stickstoffquellen haben seit 1960 dramatisch zugenommen, wodurch sich der globale Stickstoffkreislauf und die daraus resultierenden schädlichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme verschärft haben. Die Begrenzung der anthropogenen Stickstoffemissionen (hauptsächlich NOx und NH₃) hat für den Umweltschutz hohe Priorität.

Wie die Autoren der neuen Studie, die soeben im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht wurde [1] berichten, könnte das Aufhören der Ammoniak- und Stickoxidemissionen die PM2,5-Konzentration in Europa im Jahresdurchschnitt um 2,3 µg/m³ senken und jährlich etwa 100 000 vorzeitige Todesfälle verhindern. Abbildung 1. Für diese Aussagen beziehen die Autoren Schätzungen der Emissionen mit ein, Modellierungen von Luftqualität und der Relation Exponierung-Mortalität, Experimente zur Kontrolle von Nr. und Daten der Implementierungskosten.

Wenn es darum geht die Umweltverschmutzung zu verringern, hat die Senkung der Stickoxide eine permanente Wirkung. Die Reduzierung von Ammoniak ist sofort nicht gleich wirksam, wird aber entscheidend, wenn man eine erhebliche Verringerung der Verschmutzung anstrebt. Zudem ist bei gleich großer Verringerung der PM2,5-Belastung die Reduzierung der Ammoniakemissionen fünf- bis zehnmal so kosteneffizient; dies macht deutlich, dass ein Fokus auf die Verringerung der Ammoniakemissionen von entscheidender Bedeutung ist, um eine weitgehende Senkung der Luftverschmutzung in ganz Europa zu erreichen.

Abbildung 1. Der Beitrag der Emissionen von reaktivem Stickstoff (Nr) zur PM2,5-Luftverschmutzung über Europa für das Jahr 2015. Veränderungen der PM2,5-Konzentrationen (Delta PM2,5) bei Aufhören der a) anthropogenen Nr (NOx+NH3)-Emissionen, b) der NOx-Emissionen und c)der NH3-Emissionen (c). N-Anteile an der PM2,5-Luftverschmutzung durch Emissionen von d) Nr, e) NOx (e), und f) NH3. (Abbildung und Legende (von Redn. übersetzt und eingefügt aus Liu et al., 2023, Lizenz: cc-b [1].)

" In unserem Modellierungsansatz konnten wir unterschiedliche chemische Regulatorsysteme feststellen. Die Auswirkungen sind in den verschiedenen Teilen Europas unterschiedlich, da die anfängliche chemische Zusammensetzung der Atmosphäre variiert", erklärt Zehui Liu, Hauptautor der Studie und Forscher am Laboratory for Climate and Ocean-Atmosphere Studies (Universität Peking, China).

"Wir sehen den gleichen Effekt, wenn die Emissionsminderung erfolgreich anläuft - sobald die Stickoxide reduziert sind, wird es immer wichtiger, Ammoniak zu entfernen".

Die Autoren sind der Überzeugung, dass ihre Ergebnisse einen Beitrag zur Festlegung politischer Prioritäten leisten werden. "Die meisten Stickoxidemissionen stammen von Fabriken und Fahrzeugen, und wir haben bereits Schritte unternommen, um diese zu kontrollieren. In der Landwirtschaft, die die Hauptquelle für Ammoniakemissionen ist, haben wir jedoch kaum Fortschritte gemacht. Das bedeutet eine Chance durch die Umsetzung wirksamer Maßnahmen im Agrarsektor positive Ergebnisse zu erzielen", bemerkt Wilfried Winiwarter, Mitautor der Studie und leitender Wissenschaftler in der IIASA-Forschungsgruppe für Umweltverschmutzung.

"Wir haben festgestellt, dass die Verbesserungen der Luftqualität von Region zu Region unterschiedlich sind. Eine weitere Verbesserung der Luftqualität bei Feinstaub würde darüber hinaus auch strengere Kontrollmaßnahmen für andere Schadstoffe als Stickoxide und Ammoniak erfordern", ergänzt Harald Rieder, ein weiterer Mitautor der Studie und Professor an der Universität für Bodenkultur (BOKU) Wien.

"Wir können auch für andere Teile der Welt, wie China und Indien Erfahrungen sammeln. Nachdem wir in China erfolgreich mit der Verringerung der Luftverschmutzung begonnen haben, müssen wir nun die nächsten Schritte zur Emissionsreduzierung festlegen", schließt Lin Zhang, Mitautor der Studie und Professor an der Universität Peking.

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 [1]Liu, Z., Rieder, H.E., Schmidt, C., Mayer, M., Guo, Y., Winiwarter, W., and Zhang, L. (2023). Optimal reactive nitrogen control pathways identified for cost-effective PM2.5 mitigation in Europe. Nature Communications 14, 4246. DOI: 10.1038/s41467-023-39900-9; open access.

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*Der Blogartikel basiert auf der IIASA-Presseaussendung “ Ammonia reduction should be prioritized in Europe’s fight against air pollution

https://iiasa.ac.at/news/jul-2023/ammonia-reduction-should-be-prioritized-in-europes-fight-against-air-pollution vom 26. Juli 2023. Diese wurde von der Redaktion aus dem Englischen übersetzt, geringfügig für den Blog adaptiert und mit Texten und mit Abbildung 1 aus der zugrundeliegenden Veröffentlichung [1] ergänzt. IIASA ist freundlicherweise mit Übersetzung und Veröffentlichung seiner Nachrichten in unserem Blog einverstanden.

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Luftverschmutzung im ScienceBlog:

• Susanne Donner 13.07.2023: Schadstoffe - Pathogene Effekte auf die grauen Zellen
• IIASA, 20.12.2020: COVID-19, Luftverschmutzung und künftige Energiepfade
• Inge Schuster, 16.11.2017: Einstellung der EU-Bürger zur Umwelt (Teil 1) – Ergebnisse der ›Special Eurobarometer 468‹ Umfrage
• IIASA, 18.05.2017: Überschreitungen von Diesel-Emissionen — Auswirkungen auf die globale Gesundheit und Umwelt
• IIASA, 25.09.2015: Verringerung kurzlebiger Schadstoffe – davon profitieren Luftqualität und Klima
• Johannes Kaiser & Angelika Heil, 31.07.2015: Feuer und Rauch: mit Satellitenaugen beobachtet
• Inge Schuster, 12.12.2014: Was macht HCB so gefährlich?

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Sa, 29.07.2023 — Redaktion

Internet und digitale Werkzeuge sind nicht länger ein Spielzeug für anfängliche Anwender, sondern für Bürger, Unternehmen, Organisationen und Regierungen zu einem wesentlichen Bestandteil der heutigen Gesellschaft geworden. Im "Politikprogramm 2030 für die digitale Dekade" sind EU-Mitgliedstaaten und EU-Kommission gemeinsame Verpflichtungen eingegangen, die mit konkreten und überprüfbaren Zielvorgaben und Zielpfaden den digitalen Wandel vorantreiben sollen. Vier Ziele stehen dabei im Fokus: die Erhöhung der digitalen Kompetenzen, die sichere und nachhaltige digitale Infrastruktur, der digitale Wandel in Unternehmen und die Digitalisierung öffentlicher Dienste. Wie die EU-Bürger den digitalen Wandel und dessen Auswirkungen auf ihr persönliches Leben und die Gesellschaft betrachten, hat kürzlich eine europaweite Umfrage erhoben (Special Eurobarometer 532: The Digital Decade [1]).

Wie bereits erstmals im Jahr 2021 [2] wurde auch in der aktuellen Umfrage ermittelt, wie EU-Bürger die Zukunft von digitalen Werkzeugen und Internet und sehen und welche Auswirkungen ihrer Meinung nach Internet, digitale Produkte, Dienstleistungen und Werkzeuge bis 2030 auf ihr persönliches Leben haben werden.

Im Auftrag der EU-Kommission ließ Kantar Public (Kantar Belgium) die Umfrage in den 27 Mitgliedstaaten vom 2. bis 26. März 2023 durchführen; insgesamt 26 376 Personen ab 15 Jahren und aus unterschiedlichen sozialen und demographischen Gruppen - rund 1000 Personen je Mitgliedsland - nahmen teil. Diese wurden persönlich (face to face) in ihrem Heim oder in Video-Ferninteraktion in ihrer Muttersprache interviewt.

Der neue Bericht: Die digitale Dekade [1]

knüpft an die Ergebnisse der früheren Umfrage [2] an und behandelt das Thema in drei großen Fragenkomplexen.

Der erste Teil untersucht, wie wichtig digitale Werkzeuge und Internet nach Meinung der EU-Bürger in ihrem Leben bis 2030 sein werden und welche Auswirkungen aus deren Anwendung resultieren werden. Teilnehmer wurden gefragt, ob sie erwarteten, dass digitale Werkzeuge und Internet ihr tägliches Leben erleichtern werden, beispielsweise beim Zugang zu allgemeiner und berufsbildender Bildung, zu Gesundheitsdiensten oder zu Kontakten mit anderen Menschen.

Der zweite Teil des Berichts ermittelt, wie die EU-Bürger die nationalen Prioritäten im Bereich der digitalen Technologien einschätzen und welche Bedeutung sie der Zusammenarbeit der EU- Mitgliedstaaten in den digitalen Technologien beimessen (beispielsweise in Hinblick auf erhöhte Investitionen in innovativere und sicherere digitale Technologien oder, um sicherzustellen, dass die gleichen digitalen Technologien und Dienste für alle und überall in der EU zugänglich sind).

Der dritte Teil des Berichts befasst sich damit, wie EU-Bürger Anwendung und Schutz der Grundrechte im Onlinebereich wahrnehmen. Konkret wurden sie gefragt, ob ihnen bewusst ist, dass Rechte wie das Recht auf freie Meinungsäußerung Meinungsfreiheit, Privatsphäre oder Nichtdiskriminierung sowohl online als auch offline gelten sollten. Sie sollten auch angeben, wie gut ihrer Meinung nach die EU ihre Rechte im Onlinebereich schützt und wie gut die digitalen Rechte und Grundsätze in ihrem Land angewandt werden, z. B. in Bezug auf die Wahrung der Privatsphäre im Internet, d.i. das Respektieren der Vertraulichkeit von Kommunikation und Informationen auf Geräten.

Da die Darstellung der wesentlichen Umfrage-Ergebnisse die übliche Länge der ScienceBlog-Artikel weit übersteigt, wird über das für Europas Zukunft so wichtige Thema in zwei Teilen berichtet. Der gegenwärtige Artikel zeigt nur die Meinungen zum digitalen Wandel und dessen Auswirkungen auf zehn wesentliche Lebensbereiche auf (Teil 1 der Umfrage). Es werden dazu die Antworten der Bürger im EU27-Durchschnitt den Antworten unserer Landsleute in Österreich und unseren Nachbarn in Deutschland gegenüber gestellt.

Die Bedeutung der Digitalisierung im Alltag.................

Der (weitaus) überwiegende Anteil der Bevölkerung in allen Mitgliedstaaten ist der Ansicht, dass digitale Werkzeuge und Internet in ihrem Leben bis 2030 eine sehr wichtige oder ziemlich wichtige Rolle spielen werden. Insgesamt gesehen ist dies die Meinung von rund vier Fünftel der Bürger (79 %) im EU27-Schnitt. Die Länderanalyse zeigt allerdings große Unterschiede - während über 90 % der Bevölkerung in Holland, Schweden und Dänemark den digitalen Wandel für ihr persönliches Leben als wichtig betrachten, messen die Länder in Richtung Osten/Südosten dem offensichtlich weniger Bedeutung bei; Österreich (71 %) und Rumänien (59 %) sind die Schlusslichter. Abbildung 1.

Abbildung 1: Abbildung 1. Länderanalyse der Antworten auf Frage 1: Wie wichtig werden Ihrer Meinung nach digitale Technologien in ihrem Leben bis 2023 sein? Die Antworten "sehr wichtig" und "ziemlich wichtig" sind zusammengenommen in % der Antworten je Land angegeben. (Bild leicht modifiziert aus [1])

Im Vergleich zu 2021 ist in 22 Mitgliedstaaten der Anteil der Befragten, die angeben, dass digitale Werkzeuge und das Internet bis 2030 in ihrem Leben wichtig sein werden, aber zurückgegangen, vor allem in Belgien und Tschechien um 10%, in Finnland um 9 %, in Deutschland um 7 %; der EU-Schnitt lag 2021 bei 81 %, in Österreich bei 72 %, in Rumänien bei 61 % [2].

.......in wesentlichen Lebensbereichen

Insgesamt wurden die Teilnehmer zur Bedeutung der Digitalisierung bis 2030 für sie persönlich in zehn wesentlichen Lebensbereichen befragt. Die Antworten, gelistet nach fallender Wichtigkeit im EU27-Schnitt, sind in Abbildung 2 aufgezeigt und die jeweiligen Antworten aus Österreich und Deutschland gegenüber gestellt. Offensichtlich haben Teilnehmer aus Österreich und Deutschland die Rolle der Digitalisierung in allen diesen Bereichen für weniger wichtig gehalten, als dies im EU27-Schnitt der Fall war.

Abbildung 2: Antworten auf Fragen zur persönlichen Wichtigkeit des digitalen Wandels in bestimmten Lebensbereichen; im EU27-Schnitt, sowie in Österreich und Deutschland. Angaben in % der Antworten; Je EU27 und Land bedeuten dunklere Blautöne: sehr wichtig, hellere Blautöne: ziemlich wichtig, hellere Rosetöne: nicht sehr wichtig, dunkle Rosetöne: völlig unwichtig und Grautöne: keine Aussage. (Bilder von Redn. erstellt/modifiziert aus Abbildung QB2 und Daten von [1]).

Listet man die Wichtigkeit, die nach Meinung der Europäer digitale Technologien in ihrem persönlichen Leben bis 2030 spielen werden, so liegt an erster Stelle deren zentrale Rolle bei Kontakten mit anderen Menschen, Freunden und Familie: dies erwartet die weitaus überwiegende Mehrheit der EU27 (82 %); in Österreich sind dies 76 %, in Deutschland 74 %. Fast ebenso viele Europäer (81 %) sehen auch den digitalen Zugang zu öffentlichen Dienstleistungen als wichtig an (in Österreich 73 %, in Deutschland 77 %).

An dritter Stelle der Wichtigkeit scheint der digitale Wandel im Gesundheitswesen auf: 76 % im EU27- Schnitt (67 % in Österreich, 71 % in Deutschland) erwarten eine Verbesserung im Zugang zu Gesundheitsdienstleistungen oder in deren Inanspruchnahme. Ähnlich viele Europäer (EU27: 74 %, jeweils 70 % in Österreich und Deutschland) haben ähnliche Erwartungen in Bezug auf Online-Handel und Dienstleistungen mit anderen EU-Ländern, sowie für den Zugang zu und die Nutzung von Verkehrsdienstleistungen (EU27: 73 %, Österreich 62 %, Deutschland: 66 %).

In weiterer Folge geht es um die Rolle, die digitale Technologien für den Zugang zu Bildungs- und Aus- und Weiterbildungsmöglichkeiten spielen werden - etwa sieben von zehn Europäern (71 %) sehen diese als wichtig an; in Österreich sind dies nur 63 %, in Deutschland 68 %. Den Zugang zu, die Interaktion mit und/oder die Erstellung von Online-Materialien/Inhalten halten ebenso 71 % der EU27 für wichtig; in Österreich sind dies 62 %, in Deutschland 63 %.

Etwas mehr als zwei Drittel der EU-Bürger (68 %) erwarten, dass sich der digitale Wandel positiv auf die Art und Weise auswirkt, wie sich die Menschen am demokratischen Leben beteiligen; in Österreich sind dies 63 %, in Deutschland 65%.

Rund zwei Drittel (66 %) der Europäer meinen, dass digitale Technologien, wie beispielsweise zur Überwachung der persönlichen Emissionen, des Energieverbrauchs oder der Teilnahme an online-Meetings, einen wichtigen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel leisten können; 59 % der Österreicher und Deutschen teilen diese Meinung.

Eine Mehrheit (63 %) der Europäer erwartet, dass digitale Technologien einen großen Einfluss auf die Fernarbeit (Homeoffice) haben werden; in Österreich sind dies 57 % in Deutschland 56 %.

Eine demographische Analyse

der Antworten zeigt eine klare Abhängigkeit von Alter und Ausbildung der Befragten. Die Ansicht, dass digitale Werkzeuge und das Internet in Leben eine wichtige Rolle spielen werden, nimmt von der Altersgruppe 15 bis 24 Jahre bis zur Altersgruppe 40 - 54 Jahre kontinuierlich ab. Ab 55 Jahren erscheinen digitale Technologien dann im wesentlichen für den Kontakt mit anderen Menschen (71 %), den Zugang zu öffentlichen Diensten (68 %) und zu Gesundheitsdiensten (65 %) wichtig, in den meisten anderen Lebensbereichen ist die Wichtigkeit auf um die 50 % und darunter gesunken.

Insgesamt sehen Befragte mit Hochschulbildung digitale Technologien mit größerer Wahrscheinlichkeit als für ihr Leben wichtig an (90 %), als Absolventen mit einem Sekundarschulabschluss (16 bis 19 Jahre) (75 %) und Personen, die nur bis zum Alter von 15 Jahren zur Schule gingen (49 %).

Fazit

Wenn im Durchschnitt 79 % der EU-Bürger die Ansicht äußern, dass digitale Technologien für ihr Leben bis 2030 wichtig sein werden, so weist dies auf den ersten Blick auf eine sehr hohe Zustimmung zu einem schnellen Fortschreiten der europäischen Digitalisierung hin. Allerdings ist seit der ersten Umfrage 2021 der Anteil positiven Antworten in 22 der 27 EU-Mitgliedsländern gesunken, und es wird in dieser Umfrage auch nicht erhoben, ob und welche erforderlichen Kompetenzen die Befragten bereits besitzen. Verstörend sind die Antworten der Teilnehmer aus den "reichen" Ländern Österreich und Deutschland, welche die Rolle der Digitalisierung in allen Lebensbereichen für weniger wichtig halten, als dies im EU27-Schnitt der Fall ist. Insbesondere ist die Nutzung der digitalen Technologien für allgemeine und berufliche Bildung hervorzuheben, die 35 % der Österreicher und 28 % der Deutschen für unwichtig halten, und die Nutzung von Online-Materialien/Inhalten - diese halten 33 % der Österreicher und 32 % der Deutschen für unwichtig.

Im Übrigen weist die angegebene Wichtigkeit digitaler Technologien das gleiche Gefälle in Richtung Osten/Südosten auf, wie das Interesse der EU-Bürger an Wissenschaft und Technologie und ihre diesbezügliche Informiertheit [3].

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 [1] Special Eurobarometer 532: The Digital Decade (June, 2023). doi: 10.2759/14051

[2] Special-Eurobarometer 518: Digital rights and principles (December 2021). doi: 10.2759/30275

[3] I. Schuster, 3.10.2021: Special Eurobarometer 516: Interesse der europäischen Bürger an Wissenschaft & Technologie und ihre Informiertheit

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Do, 20.07.2023 - Duška Roth

Seit 2007 leben mehr Menschen in Städten als auf dem Land. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen werden 2030 fünf von achteinhalb Milliarden Menschen in Städten wohnen. Schon heute gibt es 34 Städte beziehungsweise Metropolregionen mit mehr als 10 Millionen Einwohnern. Sie werden Megastädte oder Megacitys genannt und sind geprägt von Gegensätzen zwischen größter Armut und höchstem Luxus. Viele von ihnen liegen nah an der Küste. Damit sind sie durch den steigenden Meeresspiegel unmittelbar bedroht.*

Urbane Räume sind Anziehungspunkte für Menschen auf der Suche nach einem besseren Leben. Der stetige Zuwachs an Menschen stellt gerade die Metropolen des globalen Südens vor gewaltige strukturelle Probleme: Dort schreitet der Anstieg der Bevölkerung so rasant voran, dass Arbeitsplätze fehlen, die Behörden überfordert sind und der Ausbau von Infrastrukturen und Wohnraum nicht Schritt halten kann. Die Folgen sind sozioökonomische und räumliche Fragmentierungen der Stadtgesellschaft. Es entstehen informelle Stadtviertel, die je nach Region als Slums oder Favelas bezeichnet werden und von schlechter Baustruktur und prekären Lebensverhältnissen geprägt sind. Menschen, die dort wohnen, sind auf mehreren Ebenen marginalisiert: Sie sind sowohl räumlich als auch wirtschaftlich, politisch und sozial ausgegrenzt. So haben sie etwa einen schlechten oder gar keinen Zugang zu sauberem Wasser oder medizinischer Versorgung und können nur eingeschränkt auf Extremereignisse wie Erdbeben oder Hochwasser reagieren. Megastädte in Küstennähe sind daher vom Anstieg des Meeresspiegels infolge des Klimawandels besonders bedroht (Abbildung 1). Die meisten Megastädte und die größten Metropolregionen der Welt befinden sich in Asien – einer Region, die bereits heute von klimabedingten Extremereignissen stark betroffen ist und laut Experten auch in der Zukunft noch häufiger und stärker betroffen sein wird. Dort treffen Naturgefahren auf gesellschaftlich vermittelte Vulnerabilität.

Abbildung 1. Städte weltweit. Die Karte zeigt den prozentualen Anteil von Städten mit 500.000 oder mehr Einwohnern (Daten aus dem Jahr 2018). Vierzehn Länder oder Gebiete besitzen einen niedrigen Urbanisierungsgrad, d. h. weniger als 20 % ihrer Bevölkerung leben in städtischen Gebieten. Im Gegensatz dazu liegt der Anteil der städtischen Bevölkerung in 65 Ländern bereits bei über 80 Prozent. Viele Megastädte (rote Kreise) befinden sich an Küsten oder in Küstennähe. © United Nations, DESA, Population Division (2018) / CC BY 3.0 IGO

Land unter in Asien

Der globale Meeresspiegel ist im 20. Jahrhundert zunehmend angestiegen (Abbildung 2). Aufgrund der Trägheit des Klimasystems wird er – selbst bei einem sofortigen Stopp aller Treibhausgas-Emissionen – für mehrere Jahrhunderte weiter steigen. Hunderte Millionen Menschen, die weltweit in Küstennähe leben, sind durch diesen Anstieg bedroht. In Asien könnten Metropolen wie Shanghai, Hanoi, Dhaka, Mumbai, Jakarta oder Kolkata überflutet werden. Besonders gefährdet sind Delta-Gebiete – flache Regionen, die durch den Zusammenschluss von Flussarmen und deren Sedimentablagerungen entstehen. Solche Landstriche sind klassische Siedlungsgebiete für Menschen. Ein Grund sind die Schwemmböden, die mit nährstoffreichen Sedimenten aus dem Fluss versorgt werden. Diese fruchtbaren Böden bringen hohe Erträge in der Landwirtschaft, ihre Nutzung führt aber gleichzeitig zu Bodenabsenkungen: Als Folge der Trockenlegung im Zuge des Ackerbaus ziehen sich tiefer liegende Erdschichten zusammen. Dadurch entstehen Absenkungen, die sich über große Gebiete verteilen. In Ballungszentren wie Dhaka und Kolkata kommen Bodenversiegelung und die exzessive Entnahme von Grundwasser hinzu. So entstehen regionale Absenkungen von mehreren Zentimetern pro Jahr, die den lokalen Meeresspiegelanstieg verstärken. Häufiger auftretende Extremwetterlagen verursachen Sturmfluten, die im Zusammenspiel mit einem erhöhten Meeresspiegel katastrophale Folgen haben. Wohngebiete werden überflutet, das anbrandende Meerwasser trägt die Küste ab und vernichtet Lebensraum und Anbauflächen. Dies betrifft vor allem dicht besiedelte, informelle Siedlungen, die häufig in Küstennähe errichtet werden.

Abbildung 2. Anstieg des Meeresspiegels. Das Diagramm zeigt die Veränderung des globalen Meeresspiegels seit 1993, wie sie von Satelliten beobachtet wird. Infolge der globalen Erwärmung steigt der Meeresspiegel in einem Ausmaß an, wie es in den letzten 2.500 Jahren noch nie vorgekommen ist. © NASA‘s Goddard Space Flight Center

Als Ethnograf in der Megastadt

Die Metropolregion Kolkata befindet sich im bengalischen Delta am Fluss Hugli, einem Mündungsarm im westlichen Gangesdelta. Die Gegend liegt durchschnittlich nur sechs Meter über dem Meeresspiegel. Kolkata ist die Hauptstadt des Bundesstaates Westbengalen und mit ihren 4,5 Millionen Einwohnern (Zahlen vom letzten verfügbaren Zensus im Jahr 2011) die siebtgrößte Stadt Indiens. In der Metropolregion leben demnach 14,1 Millionen Einwohner. Andere, inoffizielle Schätzungen gehen von bis zu 30 Millionen aus. Damit bildet diese Region auf einer Fläche von 187,33 Quadratkilometern den drittgrößten Ballungsraum des Landes. Die Bevölkerungsdichte entspricht derjenigen, als würden alle Einwohner von Sachsen, Sachsen-Anhalt, Thüringen, Berlin, Mecklenburg-Vorpommern und Brandenburg auf einem Gebiet so groß wie Potsdam leben. Obwohl der Wohnraum immer knapper wird, ziehen mehr und mehr Menschen nach Kolkata. Was macht die Megastadt so attraktiv? Arne Harms, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für ethnologische Forschung in Halle, nennt zwei Faktoren: „Kolkata ist ein Sehnsuchtsziel für Migranten aus Indien, die in die Region ziehen, um ihr Überleben zu sichern. Jobs als Tagelöhner findet man dort relativ leicht. Aber Kolkata ist auch eine Stadt des kulturellen Erbes und für die Bengalen sehr bedeutsam.“ Hinzu kommt, dass viele Menschen aus den Küstenregionen in die Städte ziehen, weil sie wegen eines drohenden oder akuten Hochwassers ihre Wohnungen verlassen müssen. Um zu verstehen, wie ökologische und ökonomische Krisen oder die Globalisierung das Leben an der Küste verändern, verknüpft Harms Ansätze aus der politischen Ökologie und der Infrastrukturforschung.

Die politische Ökologie betrachtet Umweltprobleme in ihrem historischen, politischen und ökonomischen Kontext. Welche Rolle spielen wirtschaftliche Verhältnisse und Machtdynamiken für den Zugang zu Trinkwasser oder den Schutz vor Fluten? Wie beeinflusst der steigende Meeresspiegel politische und wirtschaftliche Entscheidungen und Abläufe? Fragen wie diese ermöglichen es, komplexe Zusammenhänge aufzudecken. Die Infrastrukturforschung beschäftigt sich zum Beispiel mit der Frage, wie Dämme, Straßen und Brücken die Entscheidungen und das Handeln der Menschen beeinflussen. Bei der Datenanalyse untersuchen Forschende die Interessen und Machtverhältnisse der beteiligten Akteure und deren konkrete Handlungsmuster. Harms Forschung dreht sich um das zentrale Thema, wie sich das Leben in Küstenregionen durch den steigenden Meeresspiegel und die Urbanisierung verändert. Um das herauszufinden, sammelt er bereits seit 2009 Daten – in Interviews und Gruppendiskussionen, durch teilnehmende Beobachtung und Experteninterviews sowie die Auswertung von Dokumenten und Archivmaterial.

Hochwasser als Teil des Lebens

Die rasant wachsenden Slums in Kolkata sind besonders anfällig für extreme Naturereignisse. Aus Mangel an Alternativen entstehen sie oft an gefährdeten Standorten und sind daher ausgesprochen vulnerabel. Arne Harms befasst sich vor allem mit der sozialen Vulnerabilität der Bewohner: Inwiefern sind gesellschaftliche, soziale, ökonomische und naturräumliche Kategorien dafür verantwortlich, dass sich Menschen in vulnerablen Situationen befinden? Gleichzeitig untersucht er auch die Resilienz der Menschen – die Kapazitäten, aus denen sie schöpfen, um ihr Überleben zu sichern. „An der bengalischen Küste sind Überflutungen ein rhythmisch wiederkehrendes Phänomen“, sagt der Wissenschaftler. Diese Rhythmik betrifft zum einen die Jahreszeiten: In der Regenzeit sind die Wasserstände höher und die Deiche einem höheren Druck ausgesetzt. Dadurch erodiert das Land stärker. Die Rhythmik folgt aber auch den Mondphasen, denn bei Vollmond und Neumond sind die Gezeitenfluten höher als an anderen Tagen. Weil beides verzahnt ist, gelten die Vollmonde der Regenzeiten als die gefahrvollste Zeit: Deiche brechen und Menschen verlieren ihre Häuser. Schließlich ist auch das Leben mit Landverlust rhythmisch, denn mit den wiederkehrenden Fluten fallen immer wieder Teile der Küste der Erosion zum Opfer.

Die Menschen in der Region wissen um die Gefahr wiederkehrender Hochwasser und reagieren innerhalb ihrer Möglichkeiten. Sie ziehen weiter ins Landesinnere, wenn sie bei Bekannten oder Verwandten unterkommen oder es sich leisten können, ein Stück Land zu kaufen. Viele ziehen in notdürftig errichtete Hütten am Straßenrand. Dort werden sie häufig wieder von Flut und Erosion eingeholt, und der Prozess der Vertreibung durch das herannahende Wasser beginnt von neuem. In unmittelbaren Küstengebieten am Rand der Metropolregion bietet sich ein ähnliches Bild: „Die meisten Menschen, mit denen ich gesprochen habe, suchten in einiger Entfernung von der Küste Sicherheit, nur um vom herannahenden Meer nach ein paar Monaten oder Jahren wieder eingeholt zu werden“, sagt Arne Harms. „Sie erleben also einen Wechsel von sicheren, trockenen Perioden und Zeiten, in denen sie unmittelbar vom Meer bedroht sind. Etliche haben bereits fünf- oder sechsmal ihre Bleibe verloren.“ Doch trotz der immer wiederkehrenden Gefahr durch das Wasser ziehen nur wenige weiter weg: „Die gewohnte Umgebung, die lokalen Netzwerke und gemeinsame Geschichten bieten den Menschen Sicherheit“, sagt der Wissenschaftler. Hinzu kommt, dass die Migration in weit entfernte Städte im Landesinneren viele Gefahren birgt: „Die meisten, die auf diversen Migrationspfaden unterwegs sind, kommen mit ziemlich üblen Geschichten nach Hause. Viele werden von Mittelsmännern um ihren Lohn gebracht. Sexuelle Übergriffe sind an der Tagesordnung, besonders auf Frauen, die ihr Geld als Hausangestellte verdienen. In der Ferne erleben die Menschen Entrechtung, Willkür, und Ausbeutung. Deshalb bleiben sie lieber dort, wo sie sind, und verharren in ihrer vulnerablen und marginalisierten Lage.“

Hinzu kommt, dass die Behörden von Kolkata mit dem rasanten Bevölkerungswachstum längst überfordert sind. Oft werden die marginalisierten Teile der Bevölkerung bei der Stadtplanung benachteiligt. Stattdessen setzen sich immer mehr die Ideale der Mittelklasse durch. Informelle Siedlungen finden darin keinen Platz, denn sie gelten als Orte von Krankheit, Armut und Schmutz. Harms schildert, dass die Menschen in den Slums faktisch entrechtet werden. Sie sehen sich vom Bauboom überrollt, durch Gentrifizierung verdrängt: „Neue Skyscraper-Bauprojekte sind nur für die Mittelklasse vorgesehen, welche die Arbeitskraft der marginalisierten Bevölkerung nutzt, etwa als Bauarbeiter oder Hausangestellte. Rehabilitationsprojekte für informelle Siedlungen werden am Stadtrand geplant, weit entfernt von guten Arbeitsplätzen und Einkommensmöglichkeiten. Sie sind daher oft von vornherein zum Scheitern verurteilt.“ In Folge siedeln sich die Menschen wieder auf Freiflächen an, die näher am Zentrum liegen. So schaffen sie neue informelle Strukturen und Siedlungen. Es entsteht ein Kreislauf, „ein Ziehen und Zerren um Land und Ressourcen“, so Harms. Der Wissenschaftler hat in Kolkata mit Herrn Das gesprochen. Dieser ist im Alter von 37 Jahren in die Stadt gezogen. Wegen der Fluten und der Küstenerosion hatte er zuvor fünfmal seine Bleibe verloren. Im Dorf an der Küste sah er daher für sich und seine Familie keine Zukunft. Doch wie er sagt, werde auch das Leben in dem Viertel, in dem er jetzt wohnt, immer schwieriger – vor allem wegen wachsender Probleme, an Trinkwasser zu kommen. Zudem steht er kurz davor, sein Haus erneut zu verlieren: Die informelle Siedlung, in der er mit seiner Familie wohnt, muss weiteren Hochhäusern weichen. So haben Flut und Erosion einerseits sowie Gentrifizierung andererseits für die Menschen im bengalischen Delta letztlich die gleichen Auswirkungen: Sie wissen nicht, wo sie bleiben sollen (Abbildung 3).

Abbildung 3. Vulnerable Bevölkerung. Menschen in küstennahen Metropolregionen müssen aufgrund von Hochwasser immer wieder umziehen. Die farbigen Pfeile zeigen Kreisläufe. Rot: Menschen verlieren ihren Wohnraum und siedeln sich in einiger Entfernung von der Küste wieder an. Dort werden sie nach kurzer Zeit von der nächsten Überschwemmung eingeholt. Blau: Menschen ziehen an den Stadtrand. Es bilden sich informelle Siedlungen, die überschwemmt werden, die Menschen müssen neue Wohnplätze suchen. Grün: In den Slums werden Menschen durch Gentrifizierung verdrängt und siedeln sich wieder auf Freiflächen an, die näher am Zentrum liegen. So entstehen neue informelle Siedlungen. © MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Wenn das Wasser steigt

Eine Möglichkeit, den Überflutungen durch den steigenden Meeresspiegel entgegenzuwirken, ist der Bau von Deichen. „Diese bieten aber nur eine trügerische Sicherheit“, sagt Arne Harms. „Durch das Absinken des Bodens bildet sich hinter dem Deich eine Art Tasse, die bei einem Dammbruch vollläuft und aus der das Wasser nicht mehr ablaufen kann. Deiche bieten daher keinen ausreichenden Schutz. Sie vermitteln zunächst Sicherheit, doch wenn sie brechen, sind die Folgen umso gravierender.“ Eine andere Lösung besteht darin, das Wasser abzupumpen. In Kolkata haben Stadtplaner und Investoren einen großen innerstädtischen Bereich, den Salt Lake District, weitgehend überschwemmungssicher gemacht. Sie haben das Land höher gelegt, Pumpen installiert, Schleusen und Dammsysteme gebaut – ein gigantischer Aufwand zum Hochwasserschutz. Heute wohnt in dem Gebiet eine wohlhabende Bevölkerung. In seinem Umkreis wachsen dagegen die informellen Siedlungen derjenigen, die Dienstleistungen für die Reichen erledigen. „Diese Menschen leben mit einem nochmals höheren Hochwasserrisiko, weil dort zusätzlich das Wasser aufläuft, das aus den geschützten Bereichen abgepumpt wird“, sagt Arne Harms. „So gehen derlei Prestigeprojekte an einer Lösung vorbei, weil sie die Frage der sozialen Verwundbarkeit ausklammern.“ Bisherige Hochwasserschutzprogramme in der Region konzentrieren sich vor allem auf Schutzräume für den Ernstfall, sogenannte Cyclone Shelter. Während diese bei Sturmfluten Menschenleben retten, können sie dem Problem versinkender Landschaften nichts entgegensetzen. So müssen die Menschen, die in informellen Siedlungen an den gefährdeten Stadträndern leben, in ihrem Alltag mit der ständig drohenden Katastrophe zurechtkommen. Um ihren Lebensraum zu erhalten, reparieren sie teils in Eigenregie und damit illegal die Deiche. So schützen sie – weitgehend unbemerkt – auch die Menschen im Inland.

Verteilte Katastrophe

Auf der Grundlage seiner Forschung im Raum Kolkata entwickelte Arne Harms die These der „Verteilten Katastrophe“. Sie schlägt nicht als ein weithin sichtbares Schadensereignis zu, sondern ist verteilt in Raum und Zeit. In den Küstenregionen tritt sie in breiter Front auf, geprägt durch Jahreszeiten und Gezeiten. Die Menschen, die mit dieser konstanten Bedrohungslage leben, sehen die „echte Katastrophe“ in der Küstenerosion. Sie raubt ihnen das Land und damit die wichtigste Grundlage von Ökonomie, Zugehörigkeit und Geschichte. „Die Sorgen jener Menschen im bengalischen Delta, die mit bröckelnden Deichen, wiederkehrenden Überschwemmungen und dem Verschwinden von Land zu kämpfen haben, bleiben von staatlichen Institutionen und den mit humanitärer Hilfe beauftragten NGOs bisher weitgehend unberücksichtigt“, sagt der Wissenschaftler. „Trotz ihrer gravierenden Auswirkungen bleibt die Küstenerosion unter dem Radar des Nothilfeapparats. Daher ist nur wenig über das Leid der Menschen bekannt, die am Rand der erodierenden Küstenlinie Indiens ausharren.“ Um soziale Gerechtigkeit zu fördern, fordert der Max-Planck-Forscher deshalb eine neue Definition der Katastrophe: „Der Begriff „Katastrophe“ bezeichnet meist großflächige Schadensereignisse, die massenhaft Tod und Zerstörung bringen. Eine neue Definition müsste auch solche Dynamiken beinhalten, die räumlich und zeitlich entgrenzt und nur selten tödlich sind, die aber eine existenzielle Bedrohung darstellen und daher von den Menschen als Katastrophe erlebt werden.“ Was fehlt, sind nach Ansicht des Wissenschaftlers vor allem Ansätze einer gerechten Umsiedlung sowie ein ausgeklügelter Küstenschutz, der auch verarmte Küstengebiete und deren Bewohner berücksichtigt: „Nur so lässt sich die Bedrohung durch den weiter steigenden Meeresspiegel in den dicht besiedelten Küstenregionen Asiens abmildern.“

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* Der Artikel von Duška Roth ist unter dem Titel: " Megastädte an Küsten- Wenn das Wasser die Menschen verdrängt " im Geomax 28-Heft der Max-Planck-Gesellschaft im Sommer 2023 erschienen https://www.max-wissen.de/max-hefte/geomax-28-megastaedte/. Mit Ausnahme des Titels wurde der unter einer cc-by-nc-sa Lizenz stehende Artikel unverändert in den Blog übernommen.

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Do. 13.07.2023— Susanne Donner

Viele tausend Schadstoffe befinden sich in Luft, Wasser, Boden und Nahrung und Milliarden Menschen sind diesen ausgesetzt. Schadstoffe können dem Gehirn zusetzen, Stress, Entzündung und Zelltod auslösen. Am Lebensanfang, wenn das Gehirn sich entwickelt und am Lebensende, wenn natürliche Abbauvorgänge einsetzen, ist es besonders empfindlich für Umwelteinflüsse. Luftverschmutzung, besonders die Belastung mit Feinstaub, trägt zu kognitiven Defiziten am Lebensanfang und zu Demenzen am Lebensende bei. Die Chemikerin und Wissenschaftsjournalistin Susanne Donner berichtet über die ernste Bedrohung der globalen Gesundheit, die mit der zunehmenden Menge an Schadstoffen einhergeht.*

Auch an sonnigen Tagen ist Mexiko-Stadt in einen weiß-bräunlichen Dunst gehüllt, den die 21 Millionen Bewohner nur sehen können, wenn sie sich aus dem Ballungsraum entfernen und auf ihre Stadt hinunterschauen. Wer sich dagegen in der Innenstadt aufhält, bemerkt nur eines: Haut und Kleidung sind nach einem Tagesausflug vom Zócalo bis zur barocken Kathedrale mit einem bräunlichen Schleier überzogen.

Die Kinderärztin und Neurowissenschaftlerin Lilian Calderón-Garcidueñas kennt das zur Genüge, da sie sowohl in Mexiko-Stadt als auch in den USA arbeitet. Schon lange hegte sie den Verdacht, dass die feinstaubschwangere Luft Kindern schadet. Mit einer Untersuchung wollte sie endlich für Klarheit sorgen: Sie verglich die geistigen Fähigkeiten von 55 Kindern aus der Hauptstadt mit denen aus einer Kleinstadt des Landes. Und tatsächlich schnitten die Großstadtsprösslinge in den Tests deutlich schlechter ab. In Magnetresonanztomografie-Aufnahmen des Gehirns entdeckte Calderón-Garcidueñas bei 56 Prozent der Kinder Entzündungsherde im präfrontalen Cortex. Hier, im Frontallappen, werden Sinneswahrnehmungen zusammengeführt. Er spielt deshalb eine Schlüsselrolle beim Planen von Handlungen, beim Entscheiden, und auch beim Lernen.

Verursacht die schmutzige Luft die Entzündungen im Gehirn und die kognitiven Defizite? Auf der Suche nach einer Antwort untersuchte Calderón-Garcidueñas das Gehirn von sieben jungen Hunden aus Mexiko-Stadt. Und tatsächlich fand sie auch hier Entzündungsherde bei vier Tieren. Mehr noch: Sie konnte Ablagerungen von Feinstaub nachweisen und eine abnorme Aktivierung von Mikroglia, den Immunzellen des Gehirns. „Die Luftverschmutzung beeinträchtigt das reifende Gehirn, sie erklärt kognitive Defizite in gesunden Kindern“, warnte die Kinderärztin 2008 in einer viel beachteten Veröffentlichung im Journal Brain and Cognition [1].

Seither hat Mexico-Stadt Forschende wegen der brisanten Frage angezogen, ob schlechte Luft das Gehirn zerstört und wenn ja, auf welche Weise und wie sehr. Am Lebensanfang und am ende könnte das Organ besonders verletzlich reagieren, weil es erst noch reift und später auf natürliche Weise abbaut.

Luftverschmutzung und Demenzen treten zusammen auf

Obwohl es oft heißt, neurodegenerative Erkrankungen, zuvorderst die Demenzen, seien eine Unausweichlichkeit der enormen Lebenserwartung in modernen Zivilisationen, liefern mehr und mehr epidemiologische Studien ein brisantes Gegenargument: Je höher die Feinstaubbelastung der Luft, desto mehr häufen sich Demenzen. Daten, die diesen Zusammenhang unterfüttern, kommen aus London, aus Quebec, aus Nordschweden aus Stockholm: Dort hatten Forschende des Karolinska-Instituts im Jahr 2020 etwa 3.000 Erwachsene mit einem Durchschnittsalter von 74 Jahren begleitet. 364 entwickelten innerhalb von 11 Jahren eine Demenz. Und obwohl die Luft der schwedischen Hauptstadt als sauber gilt, fand die Neurobiologin des Instituts Giulia Grande, dass die Gehalte an Feinstaub in der Luft in Wohnortnähe das Risiko einer Demenz beeinflussten [2]. Ungefähr 800.000 Fälle an Demenzen in Europa könnten jedes Jahr auf die Luftverschmutzung zurückgehen, rechneten andere Forscher 2021 hoch.

„Diese Befunde sind sehr unpopulär“, bedauert Bruce Lanphear, Gesundheitswissenschaftler an der kanadischen Simon Fraser University. „Wir sollen lieber an einer Therapie gegen Alzheimer forschen, weil man damit Geld verdienen kann, als den Ursachen auf den Grund zu gehen. Denn, wenn die Luftverschmutzung schuld ist, würde das ein Absenken der Grenzwerte erfordern. Das wollen weder Politiker noch Industrie gern hören.“ Abbildung 1.

Abbildung 1. Luftverschmutzung - ein globales Problem

Blei raubt die Intelligenz

Lanphear widmet sich seit vielen Jahren einem der potentesten Schadstoffe für das Gehirn: dem Blei. Das Schwermetall ist auch im Feinstaub vertreten, weil es etwa im Flugbenzin enthalten ist und damit aus den Triebwerken gewirbelt wird. Vor allem aber ist es eine Substanz, von der man gesichert weiß, wie gefährlich sie für den Menschen ist, weil sie seit vielen Jahrhunderten eingesetzt wird. Und noch heute enthalten bestimmte Gläser und Kunststoffe Blei, auch Knöpfe an Bekleidung, Farben und Stifte, teils sogar Modeschmuck. In verschiedenen Pkw-Kraftstoffen ist Blei zwar EU-weit seit der Jahrtausendwende verboten. Genauer gesagt heißt das aber, dass die erlaubten Mengen lediglich gering sind.

Überall auf der Welt empören sich Toxikologen und Toxikologinnen, die an Blei forschen, wie Lanphear oder die international renommierte Kinderärztin und Umweltmedizinerin Ruth Etzel aus den USA, dass Blei bis heute in vielen Anwendungen nicht verboten ist. Die Belastungen von Kindern und Kleinkindern auch in Deutschland sind nach wie vor zu hoch, warnt das staatliche Bundesinstitut für Risikobewertung.

Nachgewiesen ist nämlich, dass das Schwermetall toxisch auf Nervenzellen wirkt. Es schädigt insbesondere die Entwicklung des reifenden Gehirns. Wenn die Menge an Blei von weniger als einem Mikrogramm je Deziliter Blut auf zehn Mikrogramm je Deziliter steigt, sinkt der IQ der Kinder um 6,9 Punkte, ermittelte Lanphear anhand der Daten an 1.300 Kindern. Andere Studien bestätigten, dass Blei die Intelligenz schmälert. Kleinkinder zwischen null und drei Jahren verleiben sich aber hierzulande 1,1 bis 3,3 Mikrogramm Blei täglich über Essen und Trinken ein – die Atemluft ist da noch nicht einmal berücksichtigt. „Es ist eine Tragödie. Wir wissen bei Blei so gut wie bei kaum einer anderen Chemikalie, wie schädlich es ist. Aber die Regierungen haben die Belastungen nicht auf ein akzeptables Maß gesenkt“, urteilt Etzel.

„Das Problem ist“, sagt Lanphear, „fünf IQ-Punkte weniger mögen auf der individuellen Ebene keine große Rolle spielen. Aber auf der Bevölkerungsebene bedeutet das riesige Effekte, wenn ganze Populationen durchschnittlich etwa fünf IQ-Punkte verlieren.“ Der Anteil der Personen mit kognitiven Beeinträchtigungen, die Hilfe oder besondere Förderung brauchen, steigt gewaltig und der Anteil der Hochbegabten schwindet messbar.

Schadstoffbedingte Demenz?

"Das kognitive Defizit am Lebensanfang wird zudem nie wieder aufgeholt“, argumentiert Lanphear in einer Linie mit seinen Forschungskollegen. Viele vermuten, dass die Last an Blei im Körper auch eine spätere Demenz begünstigt. Diese könnte umso früher einsetzen, je mehr des Schwermetalls gespeichert ist. Und weil sich die Indizien in dieser Richtung verdichten, ergründet hierzulande neuerdings auch das Umweltbundesamt, wie Schadstoffe neurodegenerative Krankheiten befeuern.

„Seit etwa dreißig Jahren sinkt die Inzidenz an Demenzen in den USA – auch wenn die Gesamtzahl aufgrund der Überalterung weiter stark steigt. Im selben Zeitraum gingen die Bleibelastungen zurück, weil wir als erstes Land weltweit bleihaltiges Benzin verboten haben. Ich sehe da einen direkten Zusammenhang: sinkende, gleichwohl immer noch zu hohe Bleibelastungen auf der einen Seite und zurückgehende Inzidenzen bei Demenzen auf der anderen Seite“, sagt Lanphear.

Im Gehirn unterbindet Blei die Erregungsleitung zwischen den Nervenzellen. Es erschwert, dass sich Synapsen ausbilden und verstärken. Insgesamt stört das Schwermetall somit das Oberstübchen fundamental beim Denken, Fühlen und Handeln. „Blei ist aber nicht der einzige Schadstoff, der dem Gehirn schadet“, sagt der Neurowissenschaftler Stephen Bondy von der University of California in Irvine. Polychlorierte Biphenyle, die schon in Fahrradlenkern und Sportplätzen gefunden wurden, Aluminium und Kupfer sind nur drei weitere Verdächtige. Bondy selbst gab einem Mäusestamm aluminiumhaltiges Wasser zu trinken, wie es in Kanada typischerweise aus dem Wasserhahn kommt. Die Tiere entwickelten daraufhin typische Alzheimer-Veränderungen im Gehirn, berichtet er. Mit Kupfer beschäftigt sich eine weltumspannende Forschungsszene, die zeigen konnte, dass das Metall die Fehlfaltung von Proteinen anstachelt. Unter dem Einfluss von Kupfer entstünden aus normalen Proteinen „Ringe des Bösen“, schilderten jüngst Forscher der schweizerischen Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt.

Zu viel Verschmutzung, um zu erforschen, was sie macht

Viele tausend Schadstoffe zirkulieren in Luft, Boden und Wasser. „Wenn ein Stoff irgendwo verboten wird, kommt oft ein neuer auf den Markt, von dem wir erst einmal nichts wissen“, klagt Bondy. Jede Forschungsgruppe muss vor der Vielfalt kapitulieren und richtet notgedrungen ihr Augenmerk auf ausgewählte Stoffe. Unter den Pestiziden, Weichmachern und Flammschutzmitteln sind viele Kandidaten mit kryptischen Namen, die Nervenzellen in Kultur oder auf Ebene der Genexpression beeinträchtigen. Sie könnten an den Geistesgaben zehren und Autismus, Alzheimer und ADHS den Weg bereiten.

Beispielsweise entdeckte das Team um Barbara Maher von der Universität Lancaster im Hirnstamm von 186 jungen Bewohnern in Mexiko-Stadt bestimmte fehlgefaltete Proteine. Sie deutete diese als frühe Vorboten häufiger Altersleiden, etwa einer Demenz oder der Parkinson’schen Erkrankung. In den geschädigten Hirnstämmen konnte Maher unter den Feinstaubablagerungen vornehmlich Manganpartikel nachweisen, vermutlich aus dem Straßenverkehr, und nanoskalige Titanpartikel. Letztere sind Bestandteil des umstrittenen Lebensmittelzusatzstoffes E 171. Sie könnten aus Süßigkeiten oder Zahncreme stammen und vom Darm ins Gehirn vordringen, vermutet Maher.

Schleichwege ins Gehirn

Das führt zur grundlegenden Frage, wie Schadstoffe überhaupt in das gut geschützte Gehirn vordringen können. Die Blut-Hirnschranke bildet schließlich eine Barriere zwischen dem Blut und der Hirnsubstanz. Die feinen Blutgefäße sind im Nervengewebe dicht mit Endothelzellen ausgekleidet, die eng miteinander über sogenannte „tight junctions“ verknüpft sind. Sie verhindern, dass Substanzen leichterdings ins Nervengewebe übertreten können. Die Gefäße sind zudem von Astrozyten umgeben, die ebenfalls die Passage von gefährlichen Stoffen kontrollieren.

Und doch können Medikamente, Substanzen aus Zigaretten und eben auch verschiedene Schadstoffe an dieser Einlasskontrolle vorbei aus dem Blut ins Gehirn gelangen. Besonders fettliebende kleine Moleküle haben es leicht. Und feste Partikel wie Blei können eine Abkürzung nehmen. Über die Nase steigen sie in den Riechkolben auf und werden von dort, wenn sie nur klein genug sind, direkt ins Gehirn verfrachtet. Eingeatmete Nanopartikel lassen sich so in Tieren und mit optischen Spezialverfahren neuerdings auch im Gehirn des Menschen nachweisen. Barbara Mahers Team machte zum ersten Mal die Mangan- und Titanteilchen im Hirnstamm der 186 Probanden sichtbar.

Abbildung 2 (von Redn. eingefügt) fasst zusammen, wie Schadstoffe ins Hirn gelangen und welche Auswirkungen sie dort zeigen.

Abbildung 2. Schematische Zusammenfassung: Feinstaub kann in das Gehirn eindringen und dort neurotoxische Wirkungen hervorrufen, was mit einem erhöhten Risiko der Neurodegeneration verbunden ist. Feinstaubpartikel können über das Riechsystem oder den Trigeminusnerv ins Gehirn gelangen, oder sie passieren die Blut-Hirnschranke (BBB), nachdem sie in den Blutkreislauf gelangt sind. Die abgelagerten Feinstaubpartikel können Neurotoxizität, oxidativen Stress, Neuroinflammation sowie Schäden an der BBB und dem neurovaskulären System verursachen. Diese Auswirkungen im Gehirn können zu neurodegenerativen Erkrankungen führen. Epidemiologische Studien haben die Belastung durch Feinstaub mit kognitiven Beeinträchtigungen und einem erhöhten Risiko für die Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer (AD) in Verbindung gebracht. (Abbildung und Legende von Redn. in modifizierter (übersetzter) Form eingefügt aus You, R. et al (2022) [3] Lizenz: cc-by.)

Zahlreiche Schadstoffe, die mit der Nahrung aufgenommen werden, treffen im Darm auf eine Gemeinschaft Hunderter verschiedener Arten von Mikroorganismen. Wenn dieses „Mikrobiom“ gestört wird, kann dies die „Entsorgung“ beeinträchtigen und den Weitertransport der Schadstoffe ins Blut und dann ins Gehirn verstärken. Und ausgerechnet die westliche Ernährungsweise derangiert die Flora der 38 Billionen Winzlinge im Darm empfindlich. Morgens Croissant und Weißbrot mit Schinken, abends Pizza und Chips lässt die Vielfalt im Darm schrumpfen und macht ihn schlimmstenfalls durchlässig. Vom „leaky gut“, dem durchlässigen Darm, sprechen Forschende.

Schadstoffe im Gehirn sorgen für Entzündungen und Stress

Feste Partikel wie Blei erinnern das Immunsystem des Gehirns, die Mikroglia, an eingedrungene Bakterien. t„Sie werden aktiviert, können den Partikel aber weder „töten“ noch abtransportieren. Sie wissen nicht, was sie tun sollen und kämpfen weiter und weiter. Es kommt zur chronischen Entzündung, die sehr schädlich ist“, veranschaulicht der Neurowissenschaftler Stephen Bondy von der University of California in Irvine. Noch dazu können gerade Metalle wie Aluminium und Kupfer die Fehlfaltung von Proteinen katalysieren. An ihrer Oberfläche entstehen auch reaktive Sauerstoffspezies, die umliegende Zellen attackieren.

Viele Fachleute vermuten auch, dass Schadstoffe dem Gehirn indirekt schaden, indem sie Herz und Kreislauf schwächen. Bekanntlich zieht die Feinstaubbelastung der Luft Schlaganfälle, Herzinfarkte und Gefäßschädigungen nach sich. Und wenn in der Folge Organe schlechter mit Blut und Nährstoffen versorgt werden, leiden auch diese. Guilia Grande, die Neurobiologin am Karolinska Institut, glaubt die Herz-Kreislaufgesundheit sei der entscheidende Mittler, weshalb schlechtere Luft mehr Demenzen nach sich zieht.

Die Effekte von Schadstoffen auf das Gehirn merkt man erst einmal nicht, gibt Bondy zu bedenken. „Wir müssen nicht husten und nach Luft schnappen. Aber sie sind irreversibel und heimtückisch.“ Vor diesem Hintergrund kann er nur raten, viel hinaus an die frische Luft zu gehen. Das mag erstaunen, fahren doch genau dort die Autos, die Feinstaub produzieren. Aber drinnen ist die Luft noch einmal um Größenordnungen schlechter, weil aus zahllosen Konsumgütern Schadstoffe ausdünsten.

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 [1]. Calderón-Garcidueñas, L. et al.: Air pollution, cognitive deficits and brain abnormalities: a pilot study with children and dogs. Brain and Cognition, 2008, 68. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18550243/

[2]. Wu, J. et al., Air pollution as a risk factor for Cognitive Impairment no Dementia (CIND) and its progression to dementia: A longitudinal study. Environment International 160 (2022) 107067. https://doi.org/10.1016/j.envint.2021.107067

[3]. You, R. et al.: The pathogenic effects of particulate matter on neurodegeneration: a review. Journal of Biomedical Science, 2022, 29 (25),https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35189880/

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Zum Weiterlesen

Oudin, A. et al.: Association between air pollution from residential wood burning and dementia incidence in a longitudinal study in Northern Sweden. PLoS ONE, 2018, 13(6) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29897947/

Smargiassi, A. et al.: Exposure to ambient air pollutants and the onset of dementia in Quebec Canada. Environmental Research, 2020, 190 (109870) ( zum Abstract: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32739624/ )

Lanphear, B.: The Impact of Toxins on the Developing Brain. Annual Reviews of Public Health 2015, 36 (211–30) ( zum Abstract: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25581143/ )

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*Der Artikel ist erstmals am 2.Mai 2023 unter dem Titel "Dauerstress für die Grauen Zellen" auf der Website https://www.dasgehirn.info/ erschienen https://www.dasgehirn.info/krankheiten/eindringlinge/dauerstress-fuer-die-grauen-zellen . Der unter einer CC-BY-NC-SA Lizenz stehende Text wurde unverändert in den Blog gestellt, eine Abbildung aus der im Text zitierten Arbeit von You et al., (2022) [3] wurde von der Redaktion in modifizierter Form eingefügt.

Die Webseite https://www.dasgehirn.info/ ist eine exzellente Plattform mit dem Ziel "das Gehirn, seine Funktionen und seine Bedeutung für unser Fühlen, Denken und Handeln darzustellen – umfassend, verständlich, attraktiv und anschaulich in Wort, Bild und Ton." (Es ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe).

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Artikel im ScienceBlog:

Inge Schuster, 25.09.2019: Pflanzen entfernen Luftschadstoffe in Innenräumen

IIASA, 18.05.2017: Überschreitungen von Diesel-Emissionen — Auswirkungen auf die globale Gesundheit und Umwelt

IIASA, 25.09.2015: Verringerung kurzlebiger Schadstoffe – davon profitieren Luftqualität und Klima

Johannes Kaiser & Angelika Heil, 31.07.2015: Feuer und Rauch: mit Satellitenaugen beobachtet

Inge Schuster, 12.12.2014: Was macht HCB so gefährlich?

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Do, 06.07.2023— IIASA

Wie viele Menschen sind in den letzten 30 Jahren in ein Land eingewandert, von wo sind sie gekommen und wie viele haben das Land verlassen und wohin sind sie gezogen?  Mit dem Global Migration Data Explorer haben IASA-Forscher ein neues Instrument entwickelt, das den Mangel an Daten über globale Migrationsströme beheben und eine visuelle Methode zur Erforschung der weltweiten Migrationsmuster bereitstellen soll.*

Der Global Migration Data Explorer [1] baut auf dem Erfolg seines Vorgängers [2] auf. Er inkludiert nun Schätzungen aus Zeiträumen bis 2020, die auf weiterentwickelten Schätzmethoden beruhen, und erweitert den Anwendungsbereich, um verschiedene Messungen von Migration und Aufschlüsselungen der Migrationsmuster nach Geschlecht einzubeziehen.

Die Website wurde von Guy Abel, einem Wissenschafter in der Forschungsgruppe Migration and Sustainable Development des IIASA- Population and Just Societies Program und der Universität Shanghai, und Xavier Bolló, einem Spezialisten für Datenvisualisierung, entwickelt. Es bietet den Nutzern eine einzigartige Möglichkeit, sich mit der komplexen Dynamik der globalen Migration zu beschäftigen. Die Webseite stellt sechs verschiedene Schätzmethoden vor, die Forscher nutzen können, um Einblicke in die Migrationsströme zu gewinnen. Solche Methoden der Abschätzung sind unentbehrlich, da es kaum verlässliche Daten über internationale Migrationsströme gibt, und dies die Messung von Mustern und Trends in den globalen Migrationsströmen erschwert.

"Die internationale Migration wird zu einer immer wichtigeren Komponente des Bevölkerungswachstums und zu einer Triebkraft des sozioökonomischen Wandels", erklärt Abel. "Gute Daten über die internationale Migration sind entscheidend, um migrationsbezogene Komponenten der internationalen Entwicklungsagenda und Vereinbarungen wie die Ziele für nachhaltige Entwicklung und den Globalen Pakt für sichere, geordnete und reguläre Migration zu überwachen . Diese Website füllt eine entscheidende Lücke, indem sie Schätzungen der Migrationsströme bereitstellt, welche für Forscher, die sich mit Migrationssystemen, Demografie, Klimawandel und Epidemiologie beschäftigen, von unschätzbarem Wert sind."

Die frei zugängliche Website [2] bietet eine intuitive und interaktive Plattform, die es jedermann möglich macht globale Migrationsmuster zu untersuchen. Der von Bolló entwickelte Code für die Darstellung der Daten ist auf GitHub verfügbar, was Transparenz und weiterführende Zusammenarbeit fördert. Die Nutzer können auf die Daten, die den Visualisierungen zugrunde liegen, zugreifen, und diese sind über die Website frei zugänglich. Ein Beispiel (von der Redaktion eingefügt) zeigt die globalen Migrationsströme der letzten 30 Jahre. Abbildung 1. Mit einem Klick auf eine bestimmte Erdregion - beispielsweise Europa - wird das dortige Ausmaß der Migration - woher kommen die Migranten und wohin gehen sie - in Zeiträumen von 5 Jahren /oder insgesamt in den letzten 30 Jahren angezeigt.

Abbildung 1. Der Global Migration Data Explorer. Links: Migrationsströme im Zeitraum 1990 bis 2020; nach Europa sind rund 68,9 Millionen Menschen eingewandert und rund 31,1 Millionen abgewandert. Rechts: im Zeitraum 2015 bis 2020 sind rund 15 Millionen Migranten nach Europa gekommen und 8,6 Millionen sind abgewandert. Ein Klick auf Europa (oder andere Gegenden) zeigt die einzelnen Staaten und deren Migrationsmuster in den verschiedenen Zeiträumen (nicht dargestellt). https://global-migration.iiasa.ac.at/index.html (Bild von Redn. eingefügt.).

In das Tool fließen die UN-Schätzungen der im Ausland geborenen Bevölkerung ein - diese gelten als zuverlässigste Datenquelle für die globale Migration. Während die UN-Daten eine Momentaufnahme der Migrantenbevölkerung zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellen, bieten die Schätzungen der Migrationsströme eine zeitliche Messung der Migration; dies macht sie für Forscher, die die Ursachen und Folgen der Migration untersuchen, wichtiger. (Beispiel: Migration von und nach Europa von Redn. eingefügt: Abbildung 2.)

Abbildung 2. Migration von und nach Europa im Zeitraum von 1990 bis 2020. Diagramm mit den Daten aus dem Global Migration Data Explorer (https://global-migration.iiasa.ac.at/ von Redn. erstellt.

Das Team plant das Visualisierungstool zu erweitern, um die Binnenmigration in verschiedenen Ländern, wie z. B. China, zu erfassen. Darüber hinaus will man zusätzliche Visualisierungen einführen, einschließlich einer kartenbasierten Methode, um die Benutzererfahrung zu verbessern und ein tieferes Verständnis der Migrationsmuster zu ermöglichen.

"Wir hoffen, dass dieses Visualisierungstool von der Öffentlichkeit genutzt wird, um zu einem besseren Verständnis von Migrationsmustern und relativen Ausmaßen der Migration in und aus einem bestimmten Land zu gelangen", sagt Anne Goujon, IIASA Population and Just Societies Program Director. "Besonders erfreulich ist es, wenn man hört, dass Lehrer ihr Interesse bekundet haben, die Website für den Unterricht ihrer Schüler zu nutzen; dies unterstreicht den Bedarf an aktuellen Daten und die Anwendbarkeit des Tools über den akademischen Bereich hinaus".

Zwei wichtige Veröffentlichungen unterstützen die Visualisierungs- und Schätzungsmethoden der Website. Ein 2019 im Fachjournal Nature veröffentlichter Artikel vergleicht die sechs wichtigsten Schätzmethoden, die für die Schätzung der globalen Migration vorgeschlagen wurden [3]. Außerdem wird eine Reihe von Validierungstests vorgestellt, mit denen die Genauigkeit dieser Schätzungen durch den Vergleich mit gemeldeten Migrationsdaten (dies vor allem aus wohlhabenden westlichen Ländern) bewertet wird. Darüber hinaus konzentriert sich eine neuere Veröffentlichung auf die Erstellung von Schätzungen der globalen Migrationsströme nach Geschlecht und weitet die Validierungsübungen auf geschlechtsspezifische Daten aus [4].

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[1] Guy J. Abel & Xavier Bolló: Global Migration Data Explorer. Explore changes in global migrant flow patterns over the past 30 years. . https://global-migration.iiasa.ac.at/stocks.html

[2] The global flow of people. Explore new estimates of migration flows between and within regions for five-year periods, 1990 to 2010. Click on a region to discover flows country-by-country. http://download.gsb.bund.de/BIB/global_flow/

[3] Abel, G.J., Cohen, J.E. Bilateral international migration flow estimates for 200 countries. Sci Data 6, 82 (2019). https://doi.org/10.1038/s41597-019-0089-3

[4] Abel, G.J., Cohen, J.E. Bilateral international migration flow estimates updated and refined by sex. Sci Data 9, 173 (2022). https://doi.org/10.1038/s41597-022-01271-z

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*Der Blogartikel basiert auf der IIASA-Presseaussendung “ New IIASA online tool to visualize global migration patterns“ vom 5. Juli 2023. Diese wurde von der Redaktion aus dem Englischen übersetzt, geringfügig für den Blog adaptiert und mit Texten und Abbildungen aus der Webseite https://global-migration.iiasa.ac.at/ (oder aus deren Daten zusammengestellt) versehen. IIASA ist freundlicherweise mit Übersetzung und Veröffentlichung seiner Nachrichten in unserem Blog einverstanden.

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Artikel im ScienceBlog

• IIASA, 06.06.2019: Ist Migration eine demographische Notwendigkeit für Europa?
• Inge Schuster, 10.08.2017:Migration und naturwissenschaftliche Bildung
• IIASA, 17.5.2018: Die Bevölkerungsentwicklung im 21. Jahrhundert - Szenarien, die Migration, Fertilität, Sterblichkeit, Bildung und Erwerbsbeteiligung berücksichtigen
• IIASA. 9.9.2016: Wie sich Europas Bevölkerung ändert - das "Europäische Demographische Datenblatt 2016"

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Do, 29.06.2023 — Redaktion

Die Kohlenstoffchemie ist für die Astronomen von zentralem Interesse, da alles bekannte Leben auf Kohlenstoff basiert. Ein internationales Forscherteam hat nun mit Hilfe des James Webb Weltraumteleskops zum ersten Mal ein als Methylkation (CH₃⁺) bekanntes Molekül in der protoplanetaren Scheibe um einen jungen Stern nachgewiesen. Dieses einfache Molekül hat eine einzigartige Eigenschaft: Es reagiert relativ ineffizient mit Wasserstoff, dem am häufigsten vorkommenden Element in unserem Universum, aber leicht mit anderen Molekülen und initiiert so das Wachstum komplexerer Moleküle auf Kohlenstoffbasis. Die entscheidende Rolle von CH₃⁺ in der interstellaren Kohlenstoffchemie wurde bereits in den 1970er Jahren vorhergesagt, aber die einzigartigen Fähigkeiten von Webb haben es endlich möglich gemacht, es zu beobachten - in einer Region des Weltraums, in der sich möglicherweise Planeten bilden könnten, die Leben beherbergen.* 

Das Methylkation

Kohlenstoffverbindungen bilden die Grundlage allen bekannten Lebens und sind daher von besonderem Interesse für Wissenschaftler, die verstehen wollen, wie sich das Leben auf der Erde entwickelt hat und wie es sich möglicherweise anderswo in unserem Universum entwickeln könnte. Die interstellare organische (d.i. Kohlenstoff-basierte) Chemie ist daher ein Gebiet, das für Astronomen, die Orte untersuchen, an denen sich neue Sterne und Planeten bilden, besonders faszinierend ist. Kohlenstoffhaltige Molekülionen (d.i. Moleküle mit positiver oder negativer elektrischer Ladung) sind von besonderer Bedeutung, da sie mit anderen kleinen Molekülen reagieren und selbst bei niedrigen interstellaren Temperaturen komplexere organische Verbindungen bilden. Ein solches kohlenstoffhaltiges Ion ist das Methylkation (CH₃⁺). Abbildung 1.

Abbildung 1. Das Methylkation. Das positiv geladene Ion reagiert kaum mit Wasserstoff, dem am häufigsten vorkommenden Molekül im Universum, dagegen effizient mit einer Vielzahl anderer Moleküle. CH3+ wird als seit langem als wichtiger Baustein der interstellaren organischen Chemie betrachtet. (Bild von Redn. eingefügt.).

Bereits seit den 1970er Jahren postulieren Wissenschaftler die außerordentliche Wichtigkeit von CH3+, da dieses Ion mit einer Vielzahl anderer Moleküle reagiert. Dieses kleine Kation ist so bedeutsam, dass es als Eckpfeiler der interstellaren organischen Chemie gilt; bislang konnte es allerdings noch nie nachgewiesen werden.

Das James-Webb-Weltraumteleskop mit seinen einzigartigen Eigenschaften bot sich als ideales Instrument an, um nach diesem wesentlichen Kation zu suchen - und tatsächlich konnte es eine Gruppe internationaler Wissenschaftler mit Webb zum ersten Mal beobachten. Marie-Aline Martin von der Universität Paris-Saclay, Frankreich, eine Spektroskopikerin und Mitglied des Wissenschaftsteams, erklärt: "Dieser Nachweis von CH₃⁺ bestätigt nicht nur die unglaubliche Empfindlichkeit von James Webb, sondern auch die postulierte zentrale Bedeutung von CH₃⁺ in der interstellaren Chemie."

CH₃⁺-Signal in protoplanetarer Scheibe entdeckt

Das CH₃⁺-Signal wurde in dem als d203-506 bekannten System aus Stern und protoplanetarer Scheibe (d.i. eine rotierende Scheibe aus Gas und Staub, die sich um junge Sterne bildet und aus der sich schließlich Planeten bilden können) entdeckt, das sich in etwa 1350 Lichtjahren Entfernung im Orionnebel befindet. Abbildung 2. Der Stern in d203-506 ist zwar ein kleiner roter Zwerg mit einer Masse von nur etwa einem Zehntel der Sonnenmasse, doch das System wird von starker ultravioletter Strahlung benachbarter heißer, junger und massereicher Sterne bombardiert. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die meisten protoplanetaren Scheiben, aus denen sich Planeten bilden, eine Periode solch intensiver ultravioletter Strahlung durchlaufen, da Sterne dazu neigen, sich in Gruppen zu bilden, die oft massereiche, ultraviolett-produzierende Sterne umfassen. Faszinierenderweise deuten Hinweise aus Meteoriten darauf hin, dass die protoplanetare Scheibe, aus der sich unser Sonnensystem bildete, ebenfalls einer enormen Menge an ultravioletter Strahlung ausgesetzt war - ausgesandt von einem stellaren Begleiter unserer Sonne, der schon lange gestorben ist (massereiche Sterne brennen hell und sterben viel schneller als weniger massereiche Sterne). Der verwirrende Faktor bei all dem ist, dass ultraviolette Strahlung lange Zeit als rein zerstörerisch für die Bildung komplexer organischer Moleküle angesehen wurde - und doch gibt es eindeutige Beweise dafür, dass der einzige uns bekannte lebensfreundliche Planet aus einer Scheibe entstanden ist, die dieser Strahlung stark ausgesetzt war.

Abbildung 2 Die Webb-Bilder zeigen einen Teil des Orionnebels, der als Orion-Balken bekannt ist. Links: Aufnahme mit dem Webb-NIRCam-Instrument (Nahinfrarotkamera). Rechts oben: Teleskop mit dem Webb-MIRI (Mid-Infrared Instrument) ist auf den angezeigten kleineren Bereich fokussiert. Im Zentrum des MIRI-Bereichs befindet sich ein junges Sternsystem mit einer protoplanetaren Scheibe namens d203-506. Rechts unten: Der Ausschnitt zeigt ein kombiniertes NIRCam- und MIRI-Bild dieses jungen Systems. (Credits: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), und das PDRs4All ERS-Team.)

Das Team, das diese Forschung durchgeführt hat, könnte die Lösung für dieses Rätsel gefunden haben. Ihre Arbeit sagt voraus, dass das Vorhandensein von CH₃⁺ tatsächlich mit ultravioletter Strahlung zusammenhängt, welche die notwendige Energiequelle für die Bildung von CH₃⁺ darstellt. Außerdem scheint die Dauer der ultravioletten Strahlung, der bestimmte Scheiben ausgesetzt sind, einen tiefgreifenden Einfluss auf deren Chemie zu haben. So zeigen Webb-Beobachtungen von protoplanetaren Scheiben, die keiner intensiven ultravioletten Strahlung aus einer nahe gelegenen Quelle ausgesetzt sind, eine große Menge an Wasser - im Gegensatz zu d203-506, wo das Team überhaupt kein Wasser nachweisen konnte. Der Hauptautor Olivier Berné von der Universität Toulouse, Frankreich, erklärt: "Dies zeigt deutlich, dass ultraviolette Strahlung die Chemie einer proto-planetaren Scheibe völlig verändern kann. Sie könnte tatsächlich eine entscheidende Rolle in den frühen chemischen Stadien der Entstehung von Leben spielen, indem sie dazu beiträgt, CH3+ zu produzieren - etwas, das bisher vielleicht unterschätzt wurde." 

Obwohl bereits in den 1970er Jahren veröffentlichte Forschungsergebnisse die Bedeutung von CH₃⁺ vorhersagten, war es bisher praktisch unmöglich, das Molekül nachzuweisen. Viele Moleküle in protoplanetaren Scheiben werden mit Radioteleskopen beobachtet. Damit dies möglich ist, müssen die betreffenden Moleküle jedoch ein so genanntes "permanentes Dipolmoment" besitzen, d. h. die Geometrie des Moleküls muss so beschaffen sein, dass seine elektrische Ladung nicht ausgeglichen ist, das Molekül also ein positives und ein negatives "Ende" hat. Da CH₃⁺ symmetrisch ist, ist seine Ladung ausgeglichen und hat somit kein permanentes Dipolmoment, das für Beobachtungen mit Radioteleskopen erforderlich ist. Theoretisch ist es möglich, die von CH₃⁺ emittierten spektroskopischen Linien im Infrarotbereichzu beobachten, aber die Erdatmosphäre macht es praktisch unmöglich, diese von der Erde aus zu beobachten. Daher musste ein ausreichend empfindliches Weltraumteleskop eingesetzt werden, das Signale im Infraroten beobachten kann. Die Instrumente MIRI und NIRSpec von Webb waren für diese Aufgabe wie geschaffen. Tatsächlich war der Nachweis von CH₃⁺ zuvor sehr schwierig und als das Team das Signal zum ersten Mal in seinen Daten entdeckte, war es nicht sicher, wie es zu identifizieren sei. Gestützt auf die Hilfe eines internationalen Teams mit einem breiten Spektrum an Fachwissen waren die Forscher aber in der Lage ihre Ergebnisse innerhalb von vier kurzen Wochen zu interpretieren.

Die Entdeckung von CH₃⁺ war nur durch die Zusammenarbeit von beobachtenden Astronomen, astrochemischen Modellierern, Theoretikern und experimentellen Spektroskopikern möglich, welche die einzigartigen Möglichkeiten von JWST im Weltraum mit denen von Labors auf der Erde kombinierten, um die Zusammensetzung und Evolution unseres lokalen Universums erfolgreich zu untersuchen und zu interpretieren. Marie-Aline Martin fügt hinzu: "Unsere Entdeckung war nur möglich, weil sich Astronomen, Modellierer und Laborspektroskopiker zusammengetan haben, um die von James Webb beobachteten einzigartigen Merkmale zu verstehen."

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 *Der vorliegende Artikel ist unter dem Titel " Webb makes first detection of crucial carbon molecule in a planet-forming disc" am 26.Juni 2023 auf der Webseite der ESA erschienen:https://esawebb.org/news/weic2315/. Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und durch die Strukturformel des Methylkations ergänzt.

ESA Webb Bilder, Texte und Videos stehen unter einer cc-by 4.0 Lizenz.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumbehörde (CSA).

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen eines internationalen Kooperationsabkommens stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Anpassungen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startservices durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte auch den Arbeitsspektrographen NIRSpec und 50 % des Instruments für das mittlere Infrarot (MIRI) zur Verfügung, das von einem Konsortium aus national finanzierten europäischen Instituten (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der Universität von Arizona entwickelt und gebaut wurde.

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Weiterführende Links

 ESA: Pan of the Orion Bar region. Video 0:30 min. https://esawebb.org/videos/weic2315a/

NASA: Webb Makes First Detection of Crucial Carbon Molecule. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/webb-makes-first-detection-of-crucial-carbon-molecule

ESA: BR-348/DE: Webb – Weiter sehen https://esamultimedia.esa.int/multimedia/publications/BR-348/BR-348_DE.pdf ESA: Webb - Seeing farther.https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb

ScienceBlog: Redaktion, 14.07.2022: James-Webb-Teleskop: erste atemberaubende Bilder in die Tiefe des Weltraums

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Do, 22.06.2023 — Redaktion

Der kleine Saturnmond Enceladus birgt einen Ozean unter seiner dicken Eishülle. Auf seiner Umlaufbahn um den Saturn sendet er Sprühnebel aus eisigen Partikel aus; diese bilden den E-Ring des Saturns. Auf ihrer von 2004 bis 2017 dauernden Saturnmission flog die US-Raumsonde "Cassini" mehrfach durch die Fontänen hindurch und sammelte mit dem "Cosmic Dust Analyzer" Eispartikel ein. In diesen Partikeln wurden zunächst auf Kohlenstoff basierende Moleküle mit den Elementen Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel nachgewiesen. Nun haben Wissenschafter in einer neuen Analyse Phosphor - den sechsten und letzten essentiellen Bestandteil des Lebens -nachgewiesen -; es ist der bisher stärkste Hinweis darauf, dass der Ozean von Enceladus bewohnbar ist.*

Nur wenige Welten in unserem Sonnensystem sind so faszinierend wie Enceladus, der eisige Ozeanmond des Saturn. Bilder der Voyager-Raumsonde aus den 1980er Jahren zeigten, dass dieser Mond zwar klein ist - er hat einen Durchmesser von nur etwa 500 Kilometern -, aber seine eisige Oberfläche ist an einigen Stellen bemerkenswert glatt und überall strahlend weiß. In der Tat ist Enceladus der am stärksten reflektierende Körper im Sonnensystem.

Der Mond stößt Sprühnebel aus eisigen Partikeln aus, die sich im Raum um seine Umlaufbahn ausbreiten und den E-Ring des Saturns bilden. Diese Sprühnebel treten in der Nähe seines Südpols aus vier großen, als "Tigerstreifen" bezeichneten Rissen in der kilometerdicken Eishülle aus und lassen warmes Salzwasser, Gase und Mineralien mit 1.300 Kilometern pro Stunde durch die Oberfläche ins All schießen. Abbildung1.

Abbildung 1. Der kleine Saturnmond Enceladus. A) Enceladus, kurz nachdem 2008 die NASA-Raumsonde Cassini bis auf 25 Kilometer an seine Oberfläche herangekommen war. B) Südliche Ansicht von Enceladus mit Darstellung des Inneren, das einen globalen Ozean aus flüssigem Wasser zwischen dem felsigen Kern und der Eiskruste zeigt. Laut Messungen befindet sich unter der südlichen Polarregion in einer Tiefe von etwa 10 Kilometern ein großes Meer, das von einer 30 bis 40 Kilometer dicken Eiskruste umgeben ist. Dieser unterirdische Ozean dürfte die beeindruckenden Sprühnebel speisen, die aus tiefen Spalten ("Tigerstreifen") auf der Mondoberfläche spritzen.(Die Dicke der hier gezeigten Schichten ist nicht maßstabsgetreu.) Bildnachweis: NASA/JPL/Space Science Institute, NASA/JPL-Caltech. https://solarsystem.nasa.gov/moons/saturn-moons/enceladus/in-depth

Frühere Studien hatten bereits Anzeichen für fünf der für das Leben auf der Erde notwendigen Elemente - Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel - im Material aus dem Enceladus-Ozean entdeckt. In einer am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature [1] veröffentlichten Arbeit wurde nun Phosphor zu dieser Liste hinzugefügt. Das Vorhandensein dieses Elements gilt als die "strengste Voraussetzung für die Bewohnbarkeit", schreiben die Autoren in der Studie.

"Dies war im Grunde der letzte Puzzleteil, der nötig war, um den Ozean von Enceladus endlich als zweifelsfrei bewohnbar zu betrachten", erklärt Frank Postberg, Mitautor der Studie und Planetenforscher an der Freien Universität Berlin [2].

Die Entdeckung macht Enceladus "zum vielversprechendsten Ort, zur am niedrigsten hängenden Frucht in unserem Sonnensystem, um nach außerirdischem Leben zu suchen", äußert Carolyn Porco, eine Planetenforscherin, die nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Charles Q. Choi von National Geographic [3].

Phosphor ist ein wesentlicher Bestandteil des Lebens auf der Erde. Er ist nach Kalzium das am zweithäufigsten vorkommende Mineral im menschlichen Körper und spielt eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Knochen, Zähnen, Zellmembranen und der DNA. Das Element ist Bestandteil von etwa 550 verschiedenen Mineralien auf der Erde und das zwölfthäufigste Element in der Erdkruste.

Bis jetzt hatten Astronomen noch nie Phosphor im Ozean einer anderen Welt detektiert, heißt es in der neuen Studie [1]. Von den sechs lebenswichtigen Elementen ist Phosphor "das bei weitem am wenigsten häufige im Universum", so Postberg gegenüber National Geographic [3].

Die Wissenschaftler konnten die neue Entdeckung dank der Daten der Raumsonde Cassini machen, die 13 Jahre lang den Saturn und seine Monde erforschte. Die Mission endete 2017 mit dem Eintauchen in die Atmosphäre des Saturns.

Mit den Informationen, die Cassini sammelte, stellte sich schnell heraus, dass Enceladus ein faszinierendes Studienobjekt war. Der Mond ist von einer eisigen Kruste bedeckt, wobei der globale Ozean zwischen dieser äußeren Schicht und dem felsigen Kern eingebettet ist. Eruptionen auf Enceladus schießen Fahnen aus Eiskörnern und Gas durch Risse in seiner Kruste ins All. Diese ausgestoßenen Materialien bilden den E-Ring des Saturns; durch die Untersuchung dieses Rings sollte man also mehr über das Innere des riesigen Ozeans erfahren könnte. Abbildung 2.

Abbildung 1. Am 28. Oktober 2015 hat Die Cassini Raumsonde der NASA den tiefsten Tauchgang durch die Fontänen von Enceladus gemacht. Bildnachweis: NASA Jet Propulsion Laboratory: Deep Dive into Enceladus Plume (screenshot) https://www.youtube.com/watch?v=BZ1KowQXc3Y&t=11s

Die Forscher untersuchten die Cassini-Daten von 345 Eiskörnern aus dem E-Ring und wiesen in neun von ihnen Phosphate nach - chemische Verbindungen, die Phosphor enthalten. Sie fanden heraus, dass die Phosphorkonzentration im Ozean von Enceladus 100 Mal höher sein dürfte als in den Ozeanen der Erde.

Manasvi Lingam, Physiker am Florida Institute of Technology, hatte 2018 eine Arbeit veröffentlicht, in der er auf der Grundlage von Modellierungen argumentierte, dass Ozeane wie der von Enceladus weniger Phosphor als die der Erde enthalten würden. Lingam, der nicht an der neuen Studie beteiligt war, äußerte nun dazu, dass die Entdeckung "die Ergebnisse meines früheren Modells umstößt" [4].

Dennoch war sich das Team nicht sicher, wie Enceladus überhaupt zu solch großen Mengen an Phosphaten gekommen war. Also führten sie einige Laborexperimente durch, die darauf hindeuteten, dass der Ozean des Mondes viele gelöste Karbonate - wie Soda - enthält. Der sogenannte Soda-Ozean kann phosphathaltiges Gestein auflösen, was zu den hohen Phosphatkonzentrationen im Wasser führt, so Katrina Miller von der New York Times [5].

"Es würde niemanden überraschen, wenn es Phosphat im Gestein von Enceladus gäbe. Es gibt Phosphate auf Kometen ... das ist nichts Besonderes", so Postberg gegenüber Space.com. [4] "Das Besondere ist, dass es im Ozean gelöst und damit für die potenzielle Entstehung von Leben leicht verfügbar ist."

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Ozeane auf ähnlichen Welten, wie beispielsweise dem Jupitermond Europa, ebenfalls Phosphor enthalten könnten, schreibt National Geographic [3]. Die Frage ist nun, ob dieser bewohnbare Ozean tatsächlich Leben enthält.

"Wir wissen noch nicht, ob dieser sehr bewohnbare Ort tatsächlich bewohnt ist", so Postberg gegenüber der New York Times. "Aber es lohnt sich auf jeden Fall, danach zu suchen."

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 [1] Postberg, F., Sekine, Y., Klenner, F. et al. Detection of phosphates originating from Enceladus’s ocean. Nature 618, 489–493 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05987-9

[2] Becky Ferreira: Saturn’s Moon Enceladus Is Habitable, Confirms Breakthrough Study (14.06.2023). https://www.vice.com/en/article/5d99qz/saturns-moon-enceladus-is-habitable-confirms-breakthrough-study

[3] Charles Q. Choi: Discovery shows Saturn's moon has everything needed for life. (14.06.2023) https://www.nationalgeographic.com/premium/article/astronomers-detect-key-element-for-life-on-saturns-moon-enceladus?loggedin=true&rnd=1686797290637

[4] Sharmila Kuthunur: Saturn's moon Enceladus has all the ingredients for life in its icy oceans. But is life there? https://www.space.com/saturn-moon-enceladus-phosphorus-found

[5]Katrina Miller: A "Soda Ocean" on a moon of Saturn has all the ingredients of Life. https://www.nytimes.com/2023/06/14/science/enceladus-phosphorus-life.html

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*Der vorliegende Artikel von Will Sullivan ist am 16. Juni 2023 unter dem Titel "Scientists Find Phosphorus—a Key Element for Life—on a Saturn Moon" https://www.smithsonianmag.com/smart-news/scientists-find-phosphorus-a-key-element-for-life-on-a-saturn-moon-180982385/  Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und durch zwei Abbildungen und einen kurzen Text von der NASA-Seite https://solarsystem.nasa.gov/moons/saturn-moons/enceladus/in-depth ergänzt.

Smithsonian Institution (Smithsonian, https://www.si.edu/) ist eine bedeutende US-amerikanische Forschungs- und Bildungseinrichtung, die auch zahlreiche Museen, Galerien und den Nationalzoo betreibt. Das Smithsonian stellt seine komplette Sammlung nach und nach in elektronischer Form (2D und teilweise 3D) unter der freien CC-0-Lizenz kostenlos zur Weiterverbreitung zur Verfügung. Das Smithsonian Magazine (aus dem der obige Artikel stammt) bringt eine Fülle faszinierender, leicht verständlicher Artikelaus allen Bereichen der Natur und der Gesellschaften. https://www.smithsonianmag.com/?utm_source=siedu&utm_medium=referral&utm_campaign=home.

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Sa, 17.06.2023— Redaktion

Böden können mehr organischen Kohlenstoff - d.i. Kohlenstoff in Form organischer Verbindungen - speichern als andere terrestrische Ökosysteme. Sie gelten daher als entscheidende Kohlenstoffsenken im Kampf gegen den Klimawandel. Eine bahnbrechende Studie zeigt nun, dass Mikroorganismen die entscheidende Rolle bei der Kohlenstoffspeicherung in Böden spielen. Die Ergebnisse der Studie haben Auswirkungen auf die Verbesserung der Bodengesundheit und die Eindämmung des Klimawandel.

Schon seit mehr als hundert Jahren haben sich Studien mit dem Kohlenstoff-Kreislauf im Boden befasst, wobei es hauptsächlich darum ging zu quantifizieren, wie viel organischer Kohlenstoff aus Laubstreu und den Pflanzenwurzeln in den Boden eingebracht und wie viel davon zersetzt und in Form von CO2 aus dem Boden an die Luft abgegeben wird. Wie viel an organischem Kohlenstoff dem Boden zugeführt wird, ist durch die pflanzliche Primärproduktion bestimmt, wie viel an organischem Material im Boden zersetzt wird - hauptsächlich durch Mikroorganismen - ist für die Geschwindigkeit der Freisetzung von CO2 und damit für die Treibhausgas-Konzentration ausschlaggebend.

Mikroorganismen und Kohlenstoffspeicherung

Dass Mikroorganismen bei der Bildung, Erhaltung und Zersetzung von organischem Kohlenstoff im Boden (soil organic carbon - SOC) eine sehr wichtige Rolle spielen, ist seit langem bekannt, und es wurden bereits enorme Anstrengungen unternommen, um Menge, Abbaubarkeit und Abbaugeschwindigkeit externer Kohlenstoffquellen in Böden zu verfolgen. Diese Untersuchungen haben bislang aber nicht zu einer hinreichend verbesserten Quantifizierbarkeit der Speicherung von SOC geführt. Wesentliche Fragen - welche Faktoren das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffspeicherung im Boden und Zersetzung von SOC mit schlussendlicher Abgabe von CO2 an die Luft beeinflussen, und wie mit dem Klimawandel zusammenhängende Faktoren sich auf die Mikroorganismen und ihre Funktion im Boden auswirken - blieben noch unbeantwortet. Die Rolle der Mikroorganismen wird bis jetzt mehr oder weniger in qualitativer Weise betrachtet, wie dies etwa in einem Übersichtsartikel im Jahr 2020 [1] veranschaulicht wird. Abbildung 1.

Abbildung 1. . Mikroorganismen im Kohlenstoffzyklus des Bodens. CO2 aus der Atmosphäre wird von Pflanzen (oder autotrophen Mikroorganismen) durch Photosynthese eingebaut und gelangt 1) in Form von einfachen organischen Verbindungen über Wurzelausscheidungen und in Form komplexer organischer Verbindungen über Blatt- und Wurzelstreu in den Boden. 2) Die organischen Verbindungen werden in der "Fabrik" der Mikroorganismen für Wachstum und Stoffwechsel genutzt und entweder 3) als CO2 in die Atmosphäre abgeatmet oder 4) in Form von teilweise zersetztem Material/Metaboliten und mikrobieller Nekromasse gespeichert. (Bild aus Dan Naylor et al., (2020) [1]; von Redn. mit deutscher Beschriftung versehen. Lizenz: cc-by.)

Entscheidender Faktor bei der Kohlenstoffspeicherung

Ein aus mehr als 30 Forschern bestehendes internationales Team hat kürzlich im Fachjournal Nature eine bahnbrechende Studie veröffentlicht: Mittels eines neuartigen Ansatzes wurde erstmals versucht die Vorgänge zu quantifizieren, welche die Dynamik des organischen Kohlenstoffs - Speicherung und Zersetzung - im Boden bestimmen. Wie sich herausstellte, ist die Effizienz der mikrobiellen Kohlenstoffnutzung (carbon use efficiency - CUE) der ausschlaggebende Faktor für die Relation zwischen Speicherung und Zersetzung. CUE ist dabei eine Messgröße, die anzeigt wie viel Biomasse aus dem aufgenommenen Substrat produziert wird:

CUE = produzierte Biomasse/aufgenommenes Substrat

CUE gibt an, wie viel aus den aufgenommenen organischen Verbindungen für das mikrobielle Wachstum und damit für den in Zellen und in abgestorbener Biomasse (Nekromasse) gespeicherten organischen Kohlenstoff verwendet wird und wie viel im Stoffwechsel der Zellen abgebaut wird und schlussendlich als CO2 in die Atmosphäre entweicht. Ein hoher CUE-Wert kann dabei für verstärktes mikrobielles Wachstum stehen, das zur Akkumulation von organischem Kohlenstoff im Boden führt, aber auch einen Anstieg in der Produktion von Enzymen bedeuten, die organisches Material zersetzen und damit einen Verlust von SOC mit sich bringen. Abbildung 2.

Abbildung 2. Wie wirkt sich eine hohe mikrobielle Effizienz der Kohlenstoffnutzung (CUE) auf die Speicherung von organischem Kohlenstoff im Boden (SOC) aus? Alternative a) Wachstum begünstigt durch erhöhte mikrobielle Biomasse, Nekromasse und Nebenprodukte die Speicherung von SOC. Alternative b) Erhöhte mikrobielle Biomasse kann über anschließende Enzymproduktion den Abbau von SOC fördern. (Bild aus Tao F. et al. (2023) [2], Lizenz: cc-by). )

Um herauszufinden, ob sich nun die Kohlenstoffnutzungseffizienz positiv oder negativ auf die Speicherung von SOC auswirkt, haben die Forscher die Relation zwischen CUE und SOC in umfassender Weise untersucht und auch welchen Einfluss die Wechselwirkungen mit Klima, Vegetation und Boden-Eigenschaften (edaphische Faktoren) darauf haben. Dazu haben sie eine Kombination aus Datensätzen auf globaler Ebene (Metaanalysen von global verteilten vertikalen Kohlenstoff-Bodenprofilen aus 173 Ländern) herangezogen, ein spezifisches mikrobielles Modell für Kohlenstoffprozesse im Boden entwickelt, das mit 57,267 Bodenkohlenstoffdaten kombiniert wurde und Deep Learning und Meta-Analysen eingesetzt.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen global eine positive Korrelation zwischen der mikrobiellen Kohlenstoffnutzungseffizienz und der Speicherung von organischem Kohlenstoff im Boden (Abbildung 3). Mehr organischer Kohlenstoff wird also für das mikrobielle Wachstum verwendet als für seinen Verlust in Zersetzungsprozessen, für die Frage wie viel organischer Kohlenstoff im Boden gespeichert wird, ist also das Wachstum der Mikroorganismen ausschlaggebender, als deren Stoffwechsel.

Abbildung 3. Eine Erhöhung der mikrobiellen Effizienz der Kohlenstoffnutzung (CUE) ist mit einer erhöhten Speicherung von organischem Kohlenstoff im Boden (SOC) verbunden. a) Die aus der Metaanalyse von 132 Messungen resultierende CUE-SOC Relation. b) Ergebnisse aus der Assimilierung aller verfügbarer Kohlenstoff-Bodenprofile (n = 57,267) an das Mikroorganismen-Modell. Beispiel für ein Bodentiefe von 0 - 30 cm. Niedrigere mittlere Jahrestemperaturen (MAT) sind mit höheren Speicherungen verbunden. (Bild: Ausschnitt aus Tao F. et al. (2023) [2], Lizenz: cc-by)

Wie die Studie zeigt, sind die mikrobiellen Prozesse entscheidend für die Speicherung von SOC. Wesentlich erscheint auch, dass die Kohlenstoffnutzungseffizienz in höheren Breitegraden (niedrigeren mittleren Jahrestemperaturen) höher ist, als in den wärmeren Zonen niedrigerer Breitegrade. Ein deep-learning Ansatz hat schließlich globale Muster von organischem Kohlenstoff im Boden in Abhängigkeit von sieben wesentlichen Prozessen im Kohlenstoff-Zyklus erzeugt: Daraus geht hervor, dass der Einfluss der mikrobiellen Kohlenstoffnutzungseffizienz auf die globale Speicherung und Verteilung von Kohlenstoff im Boden mindestens viermal stärker als der Einfluss anderer biologischer Faktoren oder Umweltbedingungen ist.

Schlussfolgerungen

Die neuen Erkenntnisse stehen am Anfang weiterer Studien zu einem besseren Verständnis der mikrobiellen Prozesse, die der Effizienz der Kohlenstoffnutzung zugrunde liegen. Untersuchungen mit unterschiedlichen Mikrobiomen, Substraten und landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsmethoden können in einer verbesserten Kohlenstoffspeicherung und Bodengesundheit resultieren und bei der Vorhersage von SOC-Rückkopplungen als Reaktion auf den Klimawandel helfen.

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 [1] Dan Naylor et al.: Soil Microbiomes Under Climate Change and Implications for Carbon Cycling. Annu. Rev. Environ. Resour. 2020. 45:29–59. doi:10.1146/annurev-environ-012320-08272

[2] Tao, F., Huang, Y., Hungate, B.A. et al. Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06042-3

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Artikel zu verwandten Themen im ScienceBlog

• Gerd Gleixner, 05.08.2021:Erdoberfläche - die bedrohte Haut auf der wir leben
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• IIASA, 15.08.2019: Wieviel CO₂ können tropische Regenwälder aufnehmen?
• Knut Ehlers, 01.04.2016: Der Boden - ein unsichtbares Ökosystem
• Rattan Lal, 27.11.2015: Boden – Der große Kohlenstoffspeicher
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• Redaktion, 26.06.2015: Die Erde ist ein großes chemisches Laboratorium – wie Gustav Tschermak vor 150 Jahren den Kohlenstoffkreislauf beschrieb
• Hans-Rudolf Bork, 14.11.2014: Die Böden der Erde: Diversität und Wandel seit dem Neolithikum

• Gerhard Glatzel; 28.06.2011: Hat die Menschheit bereits den Boden unter den Füßen verloren?

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Do, 08.06.2023 — Ricki Lewis

Epidermolysis bullosa (EB) - volkstümlich als Schmetterlingskrankheit bezeichnet - wird durch Mutationen in Strukturproteinen der Haut ausgelöst und ist durch eine extrem verletzliche Haut charakterisiert. Vor 6 Jahren hat Eva Maria Murauer (EB-Haus, Salzburg) im ScienceBlog über eine Fallstudie berichtet, in der eine große, chronische Wunde am Bein mittels Gentherapie normalisiert werden konnte [1]. Vor wenigen Wochen hat nun die FDA mit Vyjuvek eine erste Gentherapie zur Behandlung der schweren dystrophischen Epidermolysis bullosa (DEB) in den USA zugelassen. Diese Gentherapie hat lange auf sich warten lassen, aber sie unterscheidet sich von einer Handvoll anderer zugelassener Gentherapien: Sie ist nicht nach einmaliger Anwendung abgetan. Die Genetikerin Ricki Lewis berichtet darüber.*

Mein nun schon zehn Jahre altes Buch "The Forever Fix: Gene Therapy and the Boy who Saved It" (Gentherapie und der Junge, der sie rettete) hat die Geschichten von Kindern erzählt, die einmalig anwendbare funktionsfähige Genkopien erhalten hatten, um ihre Mutationen zu kompensieren. Die ersten Gentherapien haben Menschen mit einer vererbten Form der Netzhautblindheit zum Sehen und Kindern mit schweren Immundefekten zum Überleben verholfen. Heute sprechen mehrere durch Einzelgen-Mutationen verursachte Blut-, Gehirn-, Muskel- und Stoffwechselkrankheiten auf einmalige Infusionen einer Gentherapie an.

Die Biologie, die hinter einer Einzelgen-Erkrankung steht, gibt Aufschluss darüber, wie eine bestimmte Gentherapie zielgerichtet, angewandt und die Wirkung aufrechterhalten werden kann. Im Vergleich zu "Slash-and-Burn"-Technologien wie Standard-Chemotherapie und Bestrahlung, die nicht nur die Zielzellen betreffen, ist eine Gentherapie sowohl rational als auch maßgeschneidert.

Bei der Netzhautblindheit werden die Gene in die nährende Zellschicht unter den Stäbchen und Zapfen injiziert, welche die elektrischen, ein visuelles Bild vermittelnde Signale an das Gehirn weiterleiten. Da sich die Zellen dieser Schicht normalerweise nicht teilen, bleiben die verabreichten Gene an Ort und Stelle, unterhalten die Stäbchen und Zapfen und bewahren das Sehvermögen, das andernfalls verloren gehen würde.

Einige andere Gentherapien verfolgen einen umgekehrten Ansatz; sie werden in Stammzellen eingebracht, sodass sie sich bei der Zellteilung ausbreiten können.

Für die Haut stellt die Gentherapie eine ganz andere Herausforderung dar, weil die Zellen in der Regel so häufig ersetzt werden - es liegt in der Natur des Organs, sich permanent zu erneuern. Die Anwendung einer Gentherapie ist also das Gegenteil von einmal und fertig; sie muss viel häufiger erfolgen.

Topische und redosierbare Gentherapie

Am 19. Mai hat die FDA Vyjuvek, eine Gentherapie für DEB, zugelassen. In der Ankündigung des Erzeugers Krystal Biotech wird sie als "die erste redosierbare Gentherapie" bezeichnet.

Die Ursache für DEB ist eine Mutation im Kollagen-Gen COL7A1, das eine der beiden Hauptkomponenten des Bindegewebes darstellt. In gesunder Haut fügen sich Kollagenproteine zu Fibrillen zusammen, die die Epidermis mit der darunter liegenden Dermis verbinden, ähnlich wie Mozzarella-Käse die Schichten einer Lasagne verankert. Ohne COL7A1-Kollagen lösen sich die Hautschichten ab, und es entstehen schmerzhafte und beeinträchtigende Blasen und Wunden. Täglich.

Betroffene Kinder mit einer rezessiven Form - RDEB - werden manchmal als "Schmetterlingskinder" bezeichnet, weil ihre Haut so zart ist, wie die zerbrechlichen Flügel eines Insekts. Doch dieses Bild hat keine Ähnlichkeit mit der Realität der Extremitäten, die durch ständige Blasenbildung, Schälen, Blutungen und Narbenbildung unbrauchbar werden. Abbildung 1.

Abbildung 1. Ein Schmetterlingskind. (Bild: Yovanna.Gonzalez, commons.wikimedia.org, Lizenz: cc-by-sa)

Bei der geringsten Berührung bilden sich sofort schmerzhafte Blasen, und die Haut schält sich ab. Das Entfernen von Verbänden ist eine Qual, die täglich und ein Leben lang durchgeführt werden muss. Die Krankheit kann zu Sehkraftverlust, Entstellung und anderen Komplikationen führen, von denen einige tödlich sind.

RDEB wird von zwei Trägereltern vererbt. Eine dominante Form - DDEB - ist weniger gravierend, verursacht Blasenbildung an Händen, Füßen, Knien und Ellenbogen.

DEB ist seit 2002 ein Kandidat für eine Gentherapie. In einem Bericht aus dem Jahr 2018 habe ich die Geschichte der Bemühungen nachgezeichnet [2].

Patienten als ihre eigenen Kontrollpersonen

Die eben zugelassene Gentherapie liefert funktionierende Kopien des COL7A1-Kollagengens; Vektoren sind Herpes-Simplex-Viren, die so optimiert sind, dass sie sich nur in den betroffenen Hautzellen vermehren. Ein Arzt trägt einmal pro Woche Tropfen des Vyjuvek-Gels auf die Wunden eines Patienten auf.

Es wurden zwei klinische Studien durchgeführt und die Ergebnisse im Dezember 2022 veröffentlicht. In einer Phase 3-Studie, die im New England Journal of Medicine veröffentlicht wurde, wurden 30 Personen im Alter von 1 bis 44 Jahren, die an RDEB leiden und eine an DDEB leidende Person untersucht [3]. Bei jedem Teilnehmer wurden zwei Wunden ähnlicher Größe ausgewählt, von denen eine wöchentlich mit der Gentherapie und die andere mit einem Placebo behandelt wurde. Nach 24 Wochen wurden die Wunden miteinander verglichen. Von den mit Vyjuvek behandelten Wunden hatten sich 65 % vollständig geschlossen, verglichen mit nur 26 % der mit Placebo behandelten Wunden. Vorhergehende Ergebnisse aus Phase 1/Phase 2-Studien sind in Nature Medicine veröffentlicht worden [4]. Abbildung 2.

Abbildung 2. Die Behandlung mit Vyjuvek führt zur Heilung der Hautwunden. Links: Nach 3 Monaten hat sich der Großteil der Wunden vollständig geschlossen (repräsentative Fotos der Wunden w1 und w3 von Patient 10). Rechts: Histologische Analyse der Hautproben (von Patient 10) zeigt bereits nach 15 Tagen Behandlung die Expression von funktionellem Kollagen 7-Protein, welches Epidermis mit Dermis verknüpft (weiße Pfeile markieren die Grenze Epidermis/Dermis). Mit seiner Domäne NC1 (links, rot gefärbt) verankert Kollagen 7 die Fibrillen in der Basalmembran, mit der Domäne NC2 (rechts grün gefärbt) fördert es den Zusammenbau der Fibrillen. Blau gefärbt sind die Zellkerne. (Bild von Redaktion eingefügt; es sind Ausschnitte aus der oben zitierten Arbeit von Irina Gurevich et al., 2022 [4]. Lizenz cc-by).

Studienleiter M. Peter Marinkovich, MD, Direktor der Blistering Disease Clinic am Stanford Health Care, bezeichnet DEB als eine verheerende Krankheit. "Bis jetzt hatten Ärzte und Krankenschwestern keine Möglichkeit, die Entstehung von Blasen und Wunden auf der Haut von dystrophischen EB-Patienten zu verhindern, und alles, was wir tun konnten, war, ihnen Verbände zu geben und hilflos zuzusehen, wie sich neue Blasen bildeten. Die topische Gentherapie von Vyjuvek ändert all dies. Sie heilt nicht nur die Wunden der Patienten, sondern verhindert auch eine erneute Blasenbildung, weil sie den zugrunde liegenden Hautdefekt der dystrophen EB korrigiert. Da sie sicher und einfach direkt auf die Wunden aufzutragen ist, erfordert sie nicht viel unterstützende Technologie oder spezielles Fachwissen; dies macht Vyjuvek auch für Patienten, die weit entfernt von spezialisierten Zentren leben, besonders zugänglich."

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[1] Eva Maria Murauer, 02.03.2017: Gentherapie - Hoffnung bei Schmetterlingskrankheit. https://scienceblog.at/gentherapie-hoffnung-bei-schmetterlingskrankheit

[2] Ricki Lewis, 08.02.2018: Gene Therapy for the “Butterfly Children”https://dnascience.plos.org/2018/02/08/gene-therapy-for-the-butterfly-children/

[3] Shireen V. Guide et al., Trial of Beremagene Geperpavec (B-VEC) for Dystrophic Epidermolysis Bullosa. 15.12. 2022. N Engl J Med 2022; 387:2211-2219. DOI: 10.1056/NEJMoa2206663

[4] Irina Gurevich et al., In vivo topical gene therapy for recessive dystrophic epidermolysis bullosa: a phase 1 and 2 trial. Nat Med 28, 780–788 (2022).https://doi.org/10.1038/s41591-022-01737-y. open access.

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*Der Artikel ist erstmals am 1. Juni 2023 in PLOS Blogs - DNA Science Blog unter dem Titel "Topical Gene Therapy FDA-Approved for Severe Skin Disease, Dystrophic Epidermolysis Bullosa" https://dnascience.plos.org/2023/06/01/topical-gene-therapy-fda-approved-for-severe-skin-disease-dystrophic-epidermolysis-bullosa/  erschienen und steht unter einer cc-by Lizenz . Die Autorin hat sich freundlicherweise mit der Übersetzung ihrer Artikel durch ScienceBlog.at einverstanden erklärt. Der leicht gekürzte Artikel folgt so genau wie möglich der englischen Fassung. Abbildung 2 wurde von der Redaktion aus der zugrundeliegenden klinischen Studie [4] eingefügt.

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Anmerkung der Redaktion

DEB is eine sehr seltene Erkrankung, Schätzungen zur weltweiten Inzidenz gehen von etwa 100 000 Fällen aus (https://www.eb-researchnetwork.org/research/what-is-eb/).

Nach Mitteilung des Herstellers Krystal Biotech werden sich die Kosten von Vyjuvek auf 24 250 $/ Ampulle belaufen, die geschätzten jährlichen Behandlungskosten auf rund 631 000 $. Damit kommt Vyjuvek zwar in die Liste der weltweit 10 teuersten Medikamente, allerdings beläuft sich auch die bislang allein palliative Behandlung auf jährlich 200 000 bis 400 000 $ (https://ir.krystalbio.com/static-files/e6f347b3-0c14-43d9-b7d3-c9a274267294).

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Do, 01.06.2023— Michael Simm

Für eine Handvoll besonderer Proteine scheinen die Regeln der Biologie nicht zu gelten. Prionen sind infektiöse Proteine, deren Übertragung auch ohne Beteiligung von Erbsubstanz eine Reihe von Krankheiten auszulösen vermag. Dies geschieht nach Art einer Kettenreaktion, bei der die falsch gefalteten krankmachende Prionen ihr natürliches Gegenstück, das zelluläre Prionprotein, umfalten. So entstehen Aggregate und Nervenzellen sterben ab. Wie sie den Rinderwahn verursachen und auf Menschen überspringen konnten, ist eine gruselige Geschichte über die der deutsche Biologe und Wissenschaftsjournalist Michael Simm hier berichtet.*

Wäre Stanley Prusiner einige hundert Jahre früher geboren, hätte man ihn womöglich als Ketzer verbrannt. Oder zumindest aus der Gemeinschaft der Gläubigen ausgestoßen. Denn der Virologe an der Universität Kalifornien in San Francisco und Berkeley hatte an dem Glaubensbekenntnis seiner Zunft gerührt. Das „Zentrale Dogma der Molekularbiologie“ stammt aus dem Jahr 1958 und wurde von keinem geringeren als Francis Crick formuliert, einem Mitbegründer der modernen Biologie und eher unbescheidenen Genie. Dieses Dogma besagt, dass Informationen in biologischen Systemen stets von der Erbsubstanz DNA zum Botenstoff RNA fließen und schließlich in Proteine umgesetzt werden. Die Vorstellung, dass ein Protein genügen könnte, um eine Krankheit zu übertragen, war damit eigentlich unvereinbar. Doch genau dies hatte Prusiner behauptet. Oder zumindest hatte er diese Hypothese weiter verfolgt und ausgebaut. Denn genau genommen, kam die Idee vom infektiösen Protein bereits in den 1960er Jahren auf.

Im Zentrum seines Interesses standen zunächst Schafe, Studienobjekte, die an Scrapie (von engl. „kratzen“) verendet waren. Seit dem 18. Jahrhundert war diese tödliche Tierseuche mit ihren Gang- und Verhaltensstörungen in Europa bekannt, und auch das von Hohlräumen durchlöcherte Gehirn der Tiere war immer wieder beschrieben worden.

Mit Gewebeproben und Blut ließ sich das Leiden im Labor von kranken auf gesunde Schafe übertragen. Auch auf Ziegen, Nerze, Ratten und Mäuse. Ähnliches war US-Forschern bereits 1972 gelungen, als sie infektiöses Material aus dem Gehirn von Schafen, zunächst auf Mäuse und dann vom Mäusegehirn auf Javaneraffen (Macaca fascicularis) übertragen hatten – ein frühes Schlüsselexperiment, auch wenn die Autoren der Studie davon ausgingen, dass ein Virus hinter der Erkrankung steckte. Abbildung 1.

Abbildung 1. Vereinfachte Darstellung der Prion-Exposition von Schafen (rote Pfeile) und der Übertragung unter den Tieren (blaue Pfeile) . Bild von Redaktion modifiziert eingefügt (Quelle: Neil A. Mabbott: How do PrPSc Prions Spread between Host Species, and within Hosts? www.mdpi.com/journal/pathogens. Lizenz: cc-by)

Dieser Verdacht bestätigte sich jedoch nicht. Der Erreger war ungewöhnlich widerstandsfähig, schlüpfte auch noch durch die engmaschigsten Filter und überdauerte verschiedenste Methoden zur Inaktivierung von Nukleinsäuren. Gab man hingegen eiweißspaltende Enzyme (Proteasen) hinzu, so verloren die Gewebeproben zumindest teilweise ihre Infektiosität. 1982 hatte Prusiner genug Beweise gesammelt. Er veröffentlichte seine Entdeckung in der Fachzeitschrift „Science“ unter der Überschrift: „Novel proteinaceous infectious particles cause scrapie“ – „Neue proteinartige infektiöse Partikel verursachen Scrapie“. Die mysteriösen Erreger nannte Prusiner „Prion“, abgeleitet vom englischen „proteinaceous infectious particles“ (proteinartige infektiöse Partikel).

Nobelpreis für einen Außenseiter

Etwa zehn weitere Jahre verbrachte der wissenschaftliche Außenseiter darauf, seine Prionenhypothese gegen die Zweifel und die Angriffe vieler forschender Kollegen zu verteidigen. Doch er sollte recht behalten und wurde – auch als Anerkennung für sein Durchhaltevermögen – 1997 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin geehrt. Heute weiß man: Der Bauplan von Prion-Proteinen ist zwar genauso in einer Reihenfolge von DNA-Bausteinen festgeschrieben wie bei „normalen“ Proteinen. Der Weg von der DNA über die RNA zum Protein ist also durchaus, dem Dogma entsprechend, gegeben. Allerdings kann das im Genom kodierte Prionprotein (PrP) eine alternative Konformation, also eine alternative dreidimensionale Faltung, annehmen, mit weiteren Prionproteinen verklumpen und seine falsche Struktur dann wiederum normalen Prionproteinen aufzwingen. In seltenen Fällen und oftmals über lange Zeiträume hinweg kann dies zu einer über viele Jahre unbemerkten fatalen Kettenreaktion führen. Abbildung 2.

Abbildung 2. Der Übergang von der nativen Konformation des zellulären Prionproteins (PrPc) in eine pathologische Isoform, die als "Prionprotein-Scrapie" (PrPsc) bezeichnet wird, kann mehrere Prion-assoziierte neurodegenerative Erkrankungen auslösen. Bild von Redaktion in modifizierter Form eingefügt aus Yuhai Zhao et al., Molecules 2022, 27(16), 5123; https://doi.org/10.3390/molecules27165123; Lizenz cc-by)

All dies wäre womöglich nur eine Randnotiz in der Veterinärmedizin geblieben, hätte man nicht eine ganze Reihe weiterer Krankheiten entdeckt, die Scrapie ähneln und auch Menschen betreffen können. Das Interesse des Humanmediziners Prusiner wurde nach eigenen Angaben geweckt, als ein Patient mit der seltenen Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung (CJD) in seiner Obhut verstorben war. Typisch für diese bis heute unheilbare Krankheit sind Bewegungsstörungen, Gedächtnisverlust und Verwirrtheit, sowie ein schneller Verlauf, der in der Regel nach vier Monaten bis zwei Jahren tödlich endet.

Fasziniert war der Neurologe auch von Gerüchten über eine geheimnisvolle Krankheit namens Kuru, die unter einigen Urvölkern in der Ost-Hälfte Neuguineas (heute Papua-Neuguinea) kursierte, und dort bis etwa 1950 offenbar durch rituellen Kannibalismus verbreitet wurde. Die ersten Weißen, die 1933 ins Hochland vordrangen, trafen dort buchstäblich auf eine vergessene Welt. Die Menschen dort lebten noch in der Steinzeit, gehörten Dutzenden von Völkern an, die sich gegenseitig bekriegten und unterschiedliche Sprachen und Dialekte hatten.

Forscher unter Kannibalen

Dass Kannibalismus weit verbreitet war, bestätigen zahlreiche Berichte nicht nur von Missionaren, sondern auch von Anthropologen und der berühmten US-amerikanischen Ethnologin Margaret Mead . Nach einem Besuch des Ortes Timbunke am Fluss Sepik schrieb sie: „Der Fluss steht für Moskitos, Krokodile, Kannibalen und im Wasser treibende Leichen – und ich kann versichern, ich habe alles gesehen.“ Michael Rockefeller , Mitglied der bekannten US-Familie und Hobby-Ethnograf verschwand 1961 an der Südküste Neuguineas und wurde seinem Biographen zufolge von Angehörigen des Volkes des Asmat umgebracht.

Schließlich reiste auch Prusiner nach Neuguinea. Im Jahr 1982 traf er dort auf Carleton Gajdusek , einen Überflieger, der Physik, Chemie, Mathematik studiert, bei den Nobelpreisträgern Linus Pauling und Frank Burnet gelernt und schließlich in Harvard seinen Doktor der Medizin gemacht hatte. Gajdusek war dem Erreger von Kuru auf der Spur und hatte die Krankheit 1966 bereits auf Schimpansen übertragen. Zwei Jahre später gelang ihm das mit CJD, und 1972 mit Scrapie. Ebenso wie Prusiner hat auch Gajdusek den Medizin-Nobelpreis erhalten, allerdings bereits einige Jahre früher, im Jahr 1976. Die beiden Wissenschaftler haben sich laut Prusiners Erinnerungen nicht besonders gut vertragen. Sie waren wohl eher Konkurrenten, denn Kollegen, wie aus einem Rückblick hervorgeht , den Prusiner im Jahr 2008 veröffentlicht hat.

Kuru, eine Krankheit, die nach dem Ausbruch schnell zum Tod führte, hatte offenbar einiges mit CJD und Scrapie gemeinsam, wie Prusiner und andere Kollegen erkannten. Das Zittern und andere Bewegungsstörungen, der bei Kuru eine Demenz folgte, hatten beide Mediziner beobachtet. Für Gajdusek war die Krankheit jedoch der Parkinsonkrankheit ähnlich – für Prusiner nicht. Der wichtigste Streitpunkt aber war, dass Gadjusek nicht an Prusiners Prionen-Hypothese glaubte. Als Prusiner in einer Publikation über Kuru Gajdusek als Co-Autor nennen wollte, erlaubte Gadjusek dies erst, nachdem das Wörtchen „Prionen“ aus dem Artikel getilgt worden war.

Gajduseks machte, jenseits der Wissenschaft, in negativer Weise von sich reden: Von seinen Reisen in die Tropen hatte er – mit Einverständnis der Eltern – insgesamt 56 Kinder mitgebracht und bei sich zu Hause in einer Art Kommune erzogen. Als Vorwürfe von sexuellem Missbrauch laut wurden, bezeugte dies einer seiner „Schützlinge“, der mittlerweile studierte und im Alter von 14 Jahren mit Gadjusek zusammengelebt hatte. Der Forscher wurde daraufhin zu einem Jahr Gefängnis verurteilt, verlor seine Position als Leiter des Hirnlabors am Nationalen Schlaganfallinstitut (NINDS) und lebte nach Verbüßung seiner Strafe bis zum Tod in Paris, Amsterdam und Tromsö, was er nach eigenen Angaben bevorzugte, weil er dort in der ständigen Dunkelheit des Winters besser arbeiten konnte.

Heute werden Scrapie, Kuru und die übertragbare Variante der CJD (es gibt auch eine vererbte und eine spontan auftretende Form) aufgrund ihrer Pathologie als „Transmissible spongiforme Enzephalopathien“ (TSE) eingeordnet – zu Deutsch: „Übertragbare schwammartige Hirnleiden“. Auch der zusammenfassende Begriff „Prionenerkrankungen“ ist geläufig. Die wohl bekannteste aller TSE wurde erstmals 1984 in England nachgewiesen und als „Bovine spongiforme Enzephalopathie“ (BSE) benannt. Besser bekannt ist diese Tierkrankheit unter dem Namen Rinderwahn.

BSE entstammte einer gefährlichen Mixtur von unnatürlichen Praktiken der Fleischerzeugung sowie routinemäßigen Gesetzesverstößen und Vertuschungsversuchen, wie aus Zeugenbefragungen in einem offiziellen Untersuchungsausschuss hervorging. So hatte man Fleisch und Knochenmehl aus Schafskadavern quasi als „Kraftfutter“ an Rinder verfüttert. Bei der eigentlich vorgeschriebenen Sterilisation durch Hitze und Druck wurde geschlampt – oder gar zwecks Kostenoptimierung manipuliert, sodass Scrapie-Erreger aus infizierten Schafen überlebten, vom Magen der Rinder ins Nervensystem gelangten, sich an den neuen Wirt anpassten und die Rinder töteten. Fast 200.000 Tiere verendeten an BSE, und in der gesamten EU wurden fast vier Millionen Rinder gekeult.

Leichtsinn und Skrupellosigkeit am Rande der Apokalypse

Wenn Scrapie von Schafen auf Rinder übertragbar ist, besteht dann nicht auch die Gefahr einer Übertragung von BSE auf den Menschen? Die Befürchtung lag aus heutiger Sicht nahe. Dennoch gelangten verseuchte Hamburger, Würste und andere Fleischprodukte in die Mägen der Verbraucher in aller Welt. Gelatine aus Haut und Knochen wurde zu Pudding, Tortenbelag oder Gummibärchen verarbeitet. Und es dauerte 10 Jahre von den ersten Warnungen der Experten, bis die britische Regierung 1996 einräumte, dass da möglicherweise doch eine Verbindung bestehe zwischen dem Rinderwahn und einer neuen Variante der CJD, an der zu diesem Zeitpunkt bereits 10 Menschen gestorben waren. Nach aktuellem Stand sind es weltweit mehr als 200 Tote, davon die weitaus meisten in Großbritannien, knapp 30 in Frankreich, aber noch kein einziger Fall in Deutschland. Die Menschheit hat offenbar Glück gehabt. Wenn BSE ebenso leicht auf den Menschen übergesprungen wäre, wie viele Viren das tun, hätte es womöglich Millionen von Toten gegeben.

Viele Krankheiten – ein Mechanismus

Die durch Prionen von Rindern auf Menschen übertragene Form der CJD wird als vCJD (für „Variante“) gekennzeichnet. Und es gibt noch eine weitere Form, die iatrogene CJD (iCJD) mit einer eher kleinen Zahl von dokumentierten Fällen, bei denen die Krankheit durch medizinische Prozeduren wie die Verpflanzung von Hirnhäuten, Augenhornhaut oder der Gabe von Wachstumshormonpräparaten von Mensch zu Mensch übertragen wurde. Abbildung 3.

Alle bisher genannten Prionenkrankheiten verbreiten sich mittels Übertragung. Sie machen aber zusammen weniger als ein Prozent aller Fälle aus. Mit mehr als 85 Prozent ist die sporadische Creutzfeldt-Jakob-Krankheit unter den menschlichen Prionenerkrankungen am häufigsten, und für etwa zwei Todesfälle unter je 1 Millionen Einwohner pro Jahr verantwortlich. Der Rest – rund 15 Prozent – verteilt sich auf erbliche, also genetisch bedingte Prionenerkrankungen wie die familiäre Form der CJD, das Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS)-Syndrom und die Fatale Familiäre Insomnie (FFI).

Abbildung 3. Modell der Proteinpolymerisierung für die Umwandlung von PrPC in PrPSc bei sporadischen, erblichen und erworbenen Prionenerkrankungen. Links im Bild: humanes Prion in Lösung (NMR-Struktur 1HJM, PDB DOI: https://doi.org/10.2210/pdb1HJM/pdbB). Bild in modifizierter Form von Redaktion eingefügt aus Hideyuki Hara & Suehiro Sahaguchi, Int. J. Mol. Sci. 2021, 22(22), 12439; https://doi.org/10.3390/ijms222212439; Lizenz cc-by)

Bei den erblichen Prionen-Erkrankungen ist die Reihenfolge der Bausteine in dem natürlichen Gen PRNP auf Chromosom 20 verändert. Inzwischen kennt man mehr als 60 Varianten davon. Ein Vergleich der Genome von über 16.000 Patienten mit rund 600.000 nicht Betroffenen in drei Datenbanken ergab, dass nur wenige Varianten unweigerlich zum Ausbruch der Krankheit führen, viele Varianten dagegen auch bei gesunden Menschen auftraten. Bei den letzteren Fällen müssen offenbar weitere ungünstige Umstände hinzukommen, wie möglicherweise Umweltgifte oder Vorbelastungen durch andere Krankheiten.

Zentral für das Verständnis der Prionenkrankheiten sind die Prionproteine selbst. Die krankhafte, falsch gefaltete und verklumpte Form wird als PrPSc bezeichnet – wobei das „Sc“ auf die Schafskrankheit Scrapie verweist –, und die normale, „gesunde“ Form als zelluläres PrPC . Gelangen einige wenige PrPSc in eine Umgebung voller PrPC so werden auch die „gesunden“ Moleküle umgeformt und die Kettenreaktion nimmt ihren Lauf. Die Konzentration von PrPSC im Hirn und Rückenmark steigt rapide an, und führt schließlich zum Tod von Nervenzellen.

Eine verwirrende Vielfalt von Funktionen

Zwar gibt es Dutzende von Forschungsarbeiten zur Funktion des Proteinproteins . Diese sind jedoch oftmals widersprüchlich oder nicht ausreichend, um das Absterben der Nervenzellen zu begreifen – geschweige denn zu verhindern. PrPC zum Beispiel ist, laut einer aktuellen Übersichtsarbeit , bei der neuronalen Entwicklung beteiligt, bei der Zelladhäsion, der Neuroprotektion, der Regulation zirkadianer Rhythmen, der Aufrechterhaltung der Ionenhomöostase usw. Zwar kennt man inzwischen recht genau die Reaktionswege beim Umfaltungsprozess. Und auch die dreidimensionalen Strukturen der beteiligten Eiweißfragmente und Zwischenprodukte sind zunehmend bekannt. Nachgewiesen ist zudem, dass PrPSc bei über die Nahrung erfolgter Übertragung – etwa beim Verzehr von BSE-kontaminiertem Rindfleisch – offenbar vom Magen her in das Nervensystem gelangt und sich dort auf der Membran von Nervenzellen festsetzt. Wie genau es von diesem Punkt aus weitergeht, ist jedoch ziemlich unklar.

Wer nun denkt, dass Stanley Prusiner nach dem Nobelpreis und der Bestätigung seiner Prionenhypothese zufrieden die Hände in den Schoss legt, der irrt. Nach seiner Auffassung könnten Prionen, oder vielmehr ein prionenartiger Mechanismus von sich ausbreitender Eiweißfehlfaltung im Gehirn auch bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen am Werk sein. Sowohl bei der Alzheimer-Demenz als auch der Parkinson-Krankheit und bei Chorea Huntington spielen jeweils unterschiedliche Proteine eine Rolle (Aß, Tau, α-Synuklein und Huntingtin), deren Verhalten doch sehr an das von Prionen erinnere. Die Parallelen werden von vielen Forschern durchaus anerkannt. Zwar gibt es keine harten Daten, dass auch nur eine einzige dieser Krankheiten im herkömmlichen Sinne ansteckend sein könnte, doch lauter Widerspruch gegen Stanley Prusiner ist seltener geworden. Im „Harrison“, dem wichtigsten Lehrbuch der Medizin, verantwortet Prusiner das Kapitel über Prionenkrankheiten – eine Art Ritterschlag, die bezeugt, dass dem ehemaligen Außenseiter längst wissenschaftliche Anerkennung zuteilwird.

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 *Der vorliegende Artikel ist auf der Webseite www.dasGehirn.info im Mai 2023 erschienen, in dessen Fokus "Eindringlinge - Attacke auf’s Gehirn!" stand:https://www.dasgehirn.info/krankheiten/eindringlinge/prionen-eiweisse-die-wahnsinnig-machen. Der Artikel steht unter einer cc-by-nc-nd Lizenz. Der Text wurde mit Ausnahme des Titels von der Redaktion unverändert verwendet; zur Visualisierung wurden 3 Abbildungen eingefügt.

dasGehirn ist eine exzellente deutsche Plattform mit dem Ziel "das Gehirn, seine Funktionen und seine Bedeutung für unser Fühlen, Denken und Handeln darzustellen – umfassend, verständlich, attraktiv und anschaulich in Wort, Bild und Ton." (Es ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe).

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 Zum Weiterlesen

• Sigurdson CJ et al. Cellular and Molecular Mechanisms of Prion Disease. Annu Rev Pathol. 2019 Jan 24;14:497-516. doi: 10.1146/annurev-pathmechdis-012418-013109

• Prusiner SB, Miller BL. Prion Diseases. In: Jameson J, Fauci AS, Kasper DL, Hauser SL, Longo DL, Loscalzo J. eds. Harrison's Principles of Internal Medicine, 20e. McGraw Hill; 2018. (zum Buchkapitel)

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Catalyst University: Prions | Mechanism of Kuru & Relation to Creutzfeldt-Jakob Disease, Video 11:38 min. https://www.youtube.com/watch?v=Y1_V3oVbvxs

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Fr 26.05.2023  — Inge Schuster

Vor über 200 Jahren ist die Homöopathie entstanden basierend auf Prinzipien, die sowohl von der wissenschaftlichen Seite als auch von einer Evidenz-basierten Medizin her in höchstem Maße unplausibel sind. Auch, wenn es bis jetzt keine zweifelsfreien Nachweise für Wirksamkeit und Sicherheit gibt, sind weltweit Hunderte Millionen Menschen von der Heilkraft homöopathischer Mittel überzeugt.

Vor den Werbespots, die zur Primetime über den Bildschirm flimmern, gibt es kaum ein Entrinnen. Neben den - milde ausgedrückt - grenzwertigen Spots einer Möbelkette gibt es vor allem auch solche, die im Zuseher die Hoffnung erwecken sollen, dass er bislang erfolglos behandelte Beschwerden effizient und ohne schädliche Nebenwirkungen loswerden kann. Die in den kurzen, 10 - 20 Sekunden dauernden Spots beworbenen Mittel verheißen rasche Besserung diverser Leiden, die von Schlafstörungen über Arthrosen, Nervenschmerzen, Schwindel-Attacken bis hin zu Erektionsstörungen reichen.

Für einen Großteil dieser allabendlich gegebenen Heilsversprechen zeichnet ein am Westrand von München situiertes Unternehmen - die PharmaSGP (https://pharmasgp.com/) - verantwortlich. Das Unternehmen hat 2012 sein erstes Produkt - Deseo gegen sexuelle Schwäche - eingeführt und dank des aggressiven Marketings seines stetig wachsenden Portfolios einen erstaunlichen Aufstieg erlebt; bei den Produkten handelt sich hauptsächlich um Homöopathika, rezeptfreie Mittel wie Rubaxx, Restaxil, Taumea und Neradin. Seit 2020 ist das Werk börsennotiert, der Umsatz von rund 63 Millionen Euro im Jahr 2019 wird sich heuer auf 91 bis 96 Millionen Euro steigern. PharmaSGP rühmt sich "Unsere Arzneimittel basieren auf natürlichen pharmazeutischen Wirkstoffen mit dokumentierter Wirksamkeit und haben nahezu keine bekannten Nebenwirkungen."

Homöopathische Mittel liegen auch anderswo im Trend. Trotz fundierter negativer Kritik an diesen Mitteln, die weder eine rationale wissenschaftliche Basis noch zweifelsfreie Nachweise für Wirksamkeit und Sicherheit vorweisen können, (s.u.) vertrauen weltweit immer mehr Menschen auf solche Alternativen. Globale Schätzungen gehen von mehr als 300 Millionen Menschen aus - in westlichen Ländern jeder Zehnte -, die bereits solche Mittel konsumieren und die Tendenz ist stark steigend. Laut einem aktuellen Report wird der globale Markt für Homöopathika mit 10,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 beziffert und bis 2031 ein sehr starkes Wachstum (jährliche Wachstumsrate 18,1 %) auf 32,4 Milliarden Dollar prognostiziert. (https://www.transparencymarketresearch.com/homeopathy-product-market.html). Das ist allerdings nur ein Bruchteil des globalen Pharmaka-Markts: dieser liegt 2022 bei rund 1,5 Billionen US-Dollar; Prognosen für 2026 gehen von einer Steigerung auf rund 2,24 Billionen Dollar (jährliche Wachstumsrate 7,7 %) aus (https://www.transparencymarketresearch.com/homeopathy-product-market.html).

Prinzipien der Homöopathie ........

Ende des 18. Jahrhunderts hat Samuel Hahnemann, ein deutscher Arzt, der sich auch mit Chemie und Pharmazie beschäftigte, "ein neues Princip zur Auffindung der Heilkräfte der Arzneysubstanzen" entwickelt. In einer Zeit, in der man Schwerkranke durch Verabreichung hochgiftiger Stoffe (beispielsweise Quecksilber zur Behandlung der "Franzosenkrankheit" Syphilis), Aderlässe und Durchfälle noch mehr erschöpfte, versprach Hahnemann sanfte Behandlungsmethoden ohne schwere Nebenwirkungen. Angeblich auf einem Selbstversuch zur Anwendung von Chinarinde bei Malaria basierend hat er das zentrale Prinzip, „Ähnliches mit Ähnlichem“ zu heilen - similia similibus curentur - formuliert: eine Substanz, die am Menschen ein bestimmtes Symptom verursacht, kann demnach zur Behandlung einer dasselbe Symptom hervorrufenden Krankheit angewandt werden. Aus der Beobachtung der Symptome, die ein potenziertes (s.u.) Homöopathikum am gesunden Menschen hervorruft, wird auf seine Indikation geschlossen - also beispielsweise Verdünnungen des hochgiftigen gefleckten Schierlings (Conium maculatum), der Sokrates tötete, zur Behandlung von allmählich auftretenden Lähmungen.

Das zweite Prinzip besagt, dass Substanzen durch einen Prozess der seriellen Verdünnung in ihrer Wirkung gesteigert, potenziert werden. Ausgang des Potenzierens ist dabei die sogenannte Urtinktur, die durch Lagerung von Heilpflanzen, tierischen oder mineralischen Komponenten in einer Wasser-Ethanolmischung herausgelöst wird. Diese Urtinktur wird dann im Verhältnis 1:10 (D) oder 1:100 (C) mit Ethanol oder Ethanol/Wasser weiter und weiterverdünnt und nach einem genau vorgegebenem Ritual "verschüttelt". Nach 4 seriellen D-Verdünnungen (D4) ist vom Stoffgemisch der Urtinktur nur mehr ein Zehntausendstel vorhanden, nach 4 C-Verdünnungen ein Hundertmillionstel. Hahnemann war davon überzeugt, dass homöopathische Mittel umso stärker wirken, desto mehr sie potenziert werden. Er konnte damals, in der "Frühzeit" der Chemie, aber noch nicht wissen, dass in den besonders hohen Potenzen (größer als D12, C6) die Verdünnung bereits so groß ist, dass keine Moleküle der Urtinktur mehr nachweisbar sind.

Homöopathische Globuli und Dilutionen Bild: Wikipedia, gemeinfrei).

............im Lichte der heutigen Wissenschaften

Über 200 Jahre nach ihrer Entstehung und im Lichte der modernen Wissenschaften erscheinen Prinzipien und Vorgangsweisen der Homöopathie in höchstem Maße unplausibel, sowohl von der wissenschaftlichen Seite als auch von einer Evidenz-basierten Medizin her.

Dafür, dass ähnliche Symptome hervorrufende Substanzen kausal in den Krankheitsprozess eingreifen können, fehlt jegliche wissenschaftliche Grundlage. Dass die Wirksamkeit durch Verdünnen potenziert wird, steht in krassem Widerspruch zu physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten und den Dosis Wirkungsbeziehungen der Medizin. Es müssen schließlich genügend Moleküle vorhanden sein, um Reaktionen auszulösen, an Rezeptoren zu binden und Signale an das System senden zu können. Die Annahme von einigen Verfechtern der Homöopathie, dass durch Ausgangsstoff und Verdünnungsvorgänge die Struktur des wässrigen Lösungsmittels verändert und so die Wirksamkeit potenziert wird, ist nicht haltbar: die Wechselwirkungen zwischen den Lösungsmittelmolekülen erfolgen in weniger als Picosekunden, so rasch, dass hier keine "Gedächtnisstruktur" aufgebaut werden kann.

Ein wesentliches Problem ist zudem die Qualität der homöopathischen Heilmittel. Es handelt sich ja nicht um Reinsubstanzen mit definierter Struktur und Stabilität. Ob die Urtinkturen nun aus Pflanzen (ganzen Pflanzen, Blüten, Samen, Blättern, Wurzeln) oder tierischen Stoffen (z.B. aus Käfern, Insektengiften, Schlangengiften, etc.) hergestellt werden, so handelt es ich um Substanzgemische, die in Art und Quantität der einzelnen Komponenten stark schwanken. Eine für "konventionelle" Arzneistoffe unabdingbare Qualitätskontrolle, ist bei Homöopathika obsolet. In der EU ist nur wichtig, "dass Homöopathika nach den im Europäischen Arzneibuch oder nach einem in den offiziell gebräuchlichen Pharmakopöen der Mitgliedsstaaten der EU beschriebenen homöopathischen Zubereitungsverfahren hergestellt worden sind."

Traurig sieht es auch mit einem Nachweis der Wirksamkeit aus, wenn man eine Evidenz-basierte Medizin zugrunde legt:

Homöopathische Mittel werden nach anderen Kriterien zugelassen

als herkömmliche Arzneimittel. Um für die Zulassung eines neuen Arzneimittels einreichen zu können, müssen normalerweise dessen Wirksamkeit und Sicherheit in mehreren streng regulierten klinischen Studien am Patienten erwiesen sein. Der Nachweis erfolgt in sogenannten randomisierten Doppelblind-Studien, in denen eine statistisch ausreichend große Kontrollgruppe, die ein Placebo erhält, einer vergleichbar zusammengesetzten, mit dem zu prüfenden Therapeutikum (Verum) behandelten Gruppe gegenüber gestellt wird. Doppelblind bedeutet dabei, dass vor Versuchsende weder die Versuchsleiter noch die Teilnehmer wissen wer Placebo und wer die Prüfsubstanz bekommen hat.

Bei Homöopathika ist dies anders. Es besteht hier schon die Möglichkeit einer bloßen Registrierung, wenn das Mittel ohne Angabe eines Anwendungsgebietes in den Verkehr gebracht werden soll, oral oder äußerlich angewendet wird und die Urtinktur (der Ausgangsstoff) mindestens 10 000 fach (D4) verdünnt ist (dass ein derartiges Mittel von einem Anwender bezogen und nach Gutdünken dann für verschiedene Indikationen eingesetzt werden kann, steht auf einem anderen Blatt).

Die Zulassung homöopathischer Mittel erfolgt für eine in den eingereichten Unterlagen angegebene Indikation. Handelt es sich dabei um eine lebensbedrohende Erkrankung, so muss die Wirksamkeit in relevanten klinischen Studien nachgewiesen werden. Allerdings, wie das Deutsche Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) schreibt, wurde "bislang jedoch noch kein homöopathisches Arzneimittel durch das BfArM zugelassen, bei dem sich der Antragssteller auf eine Studie berufen hätte". https://www.bfarm.de/DE/Aktuelles/Schwerpunktthemen/Homoeopathische-Arzneimittel/_node.html).

Zum Nachweis der Wirksamkeit reicht ansonsten auch anderes "wissenschaftliches Erkenntnismaterial" (d.i. nach wissenschaftlichen Methoden aufbereitetes medizinisches Erfahrungsmaterial). Was darunter zu verstehen ist, ist sehr schwammig: Das BfArM nennt hier den Long-Term-Use (das Mittel muss seit 1978 auf dem Markt sein), Expertenurteile beispielsweise von der Kommission D des BfArM (deren Mitglieder allesamt aus der homöopathischen Ecke kommen), eine bewertete präparatbezogene Literaturübersicht zur Indikations-bezogenen Anwendung des Präparats und auch die homöopathische Arzneimittelprüfung (dabei werden Stoffe in Form von Ausgangsstoffen, Urtinkturen oder Verdünnungsgraden (Potenzen) gesunden Probanden verabreicht und diese berichten -subjektiv - mögliche Symptome). Neben dem wissenschaftlichen Erkenntnismaterial sind auch die medizinischen Erfahrungen zu berücksichtigen

Das Österreichische Bundesamt für Sicherheit im Gesundheitswesen (BASG) geht unisono mit dem deutschen BfArM und verweist auf die Experten der Kommission D. Es schreibt dazu: "Für eine Zulassung muss der Nachweis der spezifischen homöopathischen Wirksamkeit erbracht werden. Dies kann durch klinische Prüfungen oder durch allgemein anerkannte wissenschaftliche Literatur (z.B. Monographien der Kommission D des ehemaligen BGA in Deutschland) erbracht werden."

Dass die Beurteilung zur Zulassung neuer Homöopathika von einer aus Homöopathen bestehenden Kommission abhängt, erscheint zumindest fragwürdig.

Wie steht es nun um die Wirksamkeit homöopathischer Mittel?

Dazu Stellungnahmen von kompetenten Gremien:

Das Informationsnetzwerk Homöopathie

stellt fest: "Ein auf diesen Grundlagen aufbauendes Therapiesystem kann keine auf das eingesetzte Mittel zurückzuführende und über Placeboeffekte hinausgehende Wirksamkeit entfalten." Das Netzwerk ist eine unabhängige offene Arbeitsgruppe von über 60 Experten unterschiedlicher fachlicher Ausrichtung, Biografie und Weltanschauung, die es sich zum Ziel gesetzt haben, die Öffentlichkeit über die Homöopathie zu informieren und so den einseitig positiv überzeichneten Informationen der Anwender und Hersteller zutreffende Informationen entgegenzusetzen.https://netzwerk-homoeopathie.info/

Der unabhängige Online-Service "Medizin-Transparent",

ein Projekt von Cochrane Österreich an der Donau-Universität Krems hat zu den bislang durchgeführten Studien an Homöopathika recherchiert: es geht daraus deutlich hervor, dass in gut gemachten Studien die Homöopathie-Mittel nicht besser wirken als Wirkstoff-freie Scheinmedikamente (Placebos). Dies ist gut belegt u.a. für Asthma, Angsterkrankungen, Durchfall bei Kindern, Kopfschmerzen und Migräne, Erkältungskrankheiten oder etwa dem prämenstruellen Syndrom (PMS) bei Frauen. In vielen anderen Fällen liegen nur minderwertige , nicht nach strengen wissenschaftlichen Kriterien durchgeführte Studien vor. Insgesamt gibt es in bisherigen Studien keinen Hinweis, dass Homöopathie bei irgendeiner Krankheit oder Beschwerde besser helfen könnte als Placebo-Medikamente (https://medizin-transparent.at/streitthema-homoopathie/)

Was die die anfänglich von PharmaSGP gemachten Behauptungen "Unsere Arzneimittel basieren auf natürlichen pharmazeutischen Wirkstoffen mit dokumentierter Wirksamkeit und haben nahezu keine bekannten Nebenwirkungen." betrifft, so hat "Medizin-Transparent" auf Leser- Anfragen zu einigen dieser Behauptungen recherchiert, dazu Forschungs-Datenbanken durchsucht, um alle diesbezüglichen Studien dazu zu finden. Dazu zwei Beispiele

• Taumea, das gegen Schwindel helfen soll, enthält einen Extrakt aus den Früchten der Scheinmyrte (Anamirta cocculus) in homöopathischen Dosierungen (D4). Aussagekräftige wissenschaftliche Belege zur Wirkung gibt es bislang nicht.
• Neradin, ein Extrakt aus der Damiana-Pflanze (Turnera diffusa) wird als Mittel gegen Erektionsstörungen für den Mann beworben. Belegt ist diese behauptete Wirkung von Damiana auf die Potenz jedoch keineswegs. Denn an Menschen wurde sie bisher offenbar nie untersucht.

( Zur Wirksamkeit von Neradin gibt es übrigens einen niederschmetternde Bewertung von Kunden der Internet Apotheke shop-apotheke.at. Von insgesamt 104 Bewertungen haben nur 18 das Produkt als sehr gut befunden, 58 haben sich sehr negativ dazu geäußert.)

Eine neue internationale Studie

unter Leitung von G. Gartlehner hat sich mit den bis 2021 registrierten und publizierten klinischen Studien über Homöopathika befasst und einen besorgniserregenden Mangel an wissenschaftlichen und ethischen Standards auf dem Gebiet festgestellt. "Mehr als ein Drittel der registrierten Homöopathiestudien blieb unveröffentlicht, mehr als die Hälfte der veröffentlichten Studien war nicht registriert worden, und 25 % der primären Ergebnisse wurden verändert oder abgeändert." Die Schlussfolgerung der Forscher: "Homöopathieforscher dürften sich als Rosinenpicker betätigen. Studien mit den erhofften Ergebnissen werden veröffentlicht, um die Behauptungen über die Wirksamkeit der Homöopathie zu untermauern, während diejenigen, die weniger günstig ausfallen, bequem in einer Aktenschublade verschwinden. Fundierte Aussagen über die Wirksamkeit und die Risiken homöopathischer Mittel bleiben so unmöglich. Infolgedessen sind die Beweise für die Wirksamkeit der Homöopathie nach wie vor so dünn wie eine Prise Salz in einem riesigen Meer von Forschungsergebnissen schlechter Qualität." (Gartlehner G, et al., BMJ Evidence-Based Medicine 2022; 27:345–351. doi 10.1136/bmjebm-2021-111846)

Der Wissenschaftsbeirat der Europäischen Akademien (EASAC)

hat - basierend auf den neuesten Arbeiten seiner Mitgliedsakademien - eine Erklärung veröffentlicht, welche die Kritik an den gesundheitlichen und wissenschaftlichen Behauptungen über homöopathische Produkte verstärkt:

• ad Wissenschaftliche Wirkmechanismen: "Wir kommen zu dem Schluss, dass die Behauptungen über Homöopathie unplausibel sind und nicht mit etablierten wissenschaftlichen Konzepten übereinstimmen".
• ad Klinische Wirksamkeit: "Wir bestätigen, dass bei einzelnen Patienten ein Placebo-Effekt auftreten kann. Wir stimmen aber mit früheren umfassenden Bewertungen überein, dass es keine bekannten Krankheiten gibt, für die robuste, reproduzierbare Beweise vorliegen, dass Homöopathie über den Placeboeffekt hinaus wirksam ist. Damit verbunden sind Bedenken hinsichtlich der Informations-getragenen Einwilligung der Patienten und der Sicherheit, wobei letztere mit der schlechten Qualitätskontrolle bei der Herstellung von homöopathischen Arzneimitteln zusammenhängt."
• ad Werbung für die Homöopathie: "Wir weisen darauf hin, dass es dem Patienten erheblichen Schaden zufügen kann, wenn er die Inanspruchnahme einer evidenzbasierten medizinischen Versorgung hinauszögert, und dass generell die Gefahr besteht, das Vertrauen der Öffentlichkeit in die Natur und den Wert wissenschaftlicher Erkenntnisse zu untergraben."

European Academies Science Advisory Council, September 2017: Homeopathic products and practices: assessing the evidence and ensuring consistency in regulating medical claims in the EU https://easac.eu/fileadmin/PDF_s/reports_statements/EASAC_Homepathy_statement_web_final.pdf

Wie soll es nun weiter gehen?

Dazu die Empfehlungen des EASAC aus der oben zitierten Erklärung:

1. Es sollte einheitliche regulatorische Anforderungen geben, um die Wirksamkeit, Sicherheit und Qualität aller Produkte für die Human- und Veterinärmedizin aufzuzeigen; diese müssen auf überprüfbaren und objektiven Nachweisen beruhen, welche der Art der Behauptungen entsprechen. In Ermangelung eines solchen Nachweises, sollte ein Produkt von den nationalen Regulierungsbehörden als Arzneimittel weder zugelassen noch registriert werden.
2. Evidenz-basierte öffentliche Gesundheitssysteme sollten die Kosten für homöopathische Produkte und Praktiken nicht übernehmen, wenn deren Wirksamkeit und Sicherheit durch strenge Tests nicht nachgewiesen ist.
3. Die Zusammensetzung homöopathischer Mittel sollte in ähnlicher Weise angegeben werden wie die anderer Gesundheitsprodukte, d. h. es sollte eine genaue, klare und einfache eine Beschreibung der Inhaltsstoffe und ihrer Mengen in der Rezeptur vorhanden sein.
4. Werbung und Marketing für homöopathische Produkte und Dienstleistungen müssen festgelegten Standards von Genauigkeit und Klarheit entsprechen. Werbeaussagen zu Wirksamkeit, Sicherheit und Qualität sollten nicht ohne nachweisbare und reproduzierbare Belege gemacht werden.

 

Hoffen wir, dass diese Empfehlungen nicht auf taube Ohren stoßen!

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Do 18.05.2023  — Inge Schuster

> Kenntnisse über das Mikrobiom des Verdauungstrakts und über Stoffwechselprodukte in diesem System beruhen bislang hauptsächlich auf Daten, die aus Stuhlproben erhoben wurden. Mit Hilfe der CapScan®-Kapsel können erstmals auf nicht-invasive Weise Proben aus den Regionen des Dünndarms gesammelt und analysiert werden. Damit werden Aufschlüsse über lebenswichtige Darmaktivitäten möglich, die bisher nicht messbar waren und die zum Verstehen der Stoffwechselwege des Menschen und ihrer komplexen Interaktionen mit dem Mikrobiom in Gesundheit und Krankheit beitragen.

In den letzten Jahrzehnten ist der menschliche Darm und hier vor allem das dort ansässige Mikrobiom mehr und mehr in den Fokus der Forschung gerückt. Es wurde klar, dass die riesige Zahl und Vielfalt der Mikroorganismen eine essentielle Rolle in Gesundheit und Krankheit spielen - dies beginnt mit dem Metabolismus von Nahrung und Fremdstoffen und erstreckt sich über die Regulierung des Immunsystems, den Schutz vor Pathogenen bis hin zum Einfluss auf die Steuerung des Nervensystems und damit auch auf den Gemütszustand.

Der Dünndarm ist noch weitgehend eine terra incognita

Auf Grund des schwierigen Zugangs zu den oberen Teilen des Verdauungstrakts, d.i. dem 5 - 7 Meter langen Dünndarm, stammen Informationen über die Zusammensetzung des Mikrobioms und die im Darm generierten und diesen beeinflussenden Stoffwechselprodukte bislang weitestgehend aus Analysen des Stuhls. Tatsächlich geben solche Proben aber nur ein sehr beschränktes Bild der Vorgänge im Gesamtdarm: beim Eintritt in den aufsteigenden Teil des Dickdarms ist die Verdauung der Nahrung ja nahezu vollständig (zu 90 %) abgeschlossen und die entstandenen Stoffwechselprodukte (Metabolite) wurden bereits durch die Dünndarmwand in den Organismus aufgenommen (absorbiert), teilweise weiter umgewandelt und als Endprodukte in das Darmlumen ausgeschieden. Was im Colon noch ankommt, sind im Wesentlichen unverdauliche Nahrungsbestandteile, die von den dort ansässigen Bakterienkolonien aufgeschlossen und zu Nährstoffen der Darmwand umgebaut werden.

Der Zugang zu den Dünndarmabschnitten Jejunum und Ileum ist eine Herausforderung. Diesbezügliche Proben werden ja nicht unter physiologischen Bedingungen entnommen: sie stammen aus Operationsmaterial und von klinisch toten Organspendern, die mit verschiedenen Arzneimitteln, darunter Antibiotika behandelt worden waren und bestenfalls aus mehrstündigen Endoskopien, die an nüchternen, betäubten oder sedierten Probanden erfolgen.

Wie auch für unterschiedlichste bioaktive Produkte beruhen unsere Kenntnisse beispielsweise zur Vielfalt, Dynamik und Rolle der Gallensäuren bei der Verdauung auf den wenig repräsentativen Messungen der wenigen Prozent der Gallensäuren, die im Stuhl ankommen oder dem Bruchteil eines Prozents im Blut. Fazit: Stuhlproben sind ein unzulängliches Surrogat für die Vorgänge in den oberen Darmabschnitten.

CapScan^® ermöglicht erstmals eine nicht-invasive Reise durch den Dünndarm

Ein Forscherteam von den kalifornischen Universitäten Stanford und Davis und dem Spin-off Envivo Bio Inc. hat eine spezielle Kapsel CapScan^® entwickelt, die geschluckt wird und in bestimmten Abschnitten des Darms ein kleines Volumen des Darmlumens inklusive der dort vorhandenen Mikroorganismen, Proteine und Metabolite aufnimmt. Zwei zeitgleich am 10. Mai 2023 in den Fachjournalen Nature und Nature Metabolism erschienene Arbeiten beschreiben diese Kapsel beschrieben und berichten über die die damit erhobenen Veränderungen im oberen Darmtrakt während der normalen täglichen Verdauung bei 15 gesunden Menschen [1,2].

Das Prinzip von CapScan^®: Die Kapsel - etwa in der Größe einer Vitamin-Pille - ist mit einer magensaftresistenten, pH-sensitiven Polymer-Beschichtung versehen und enthält darin eine kollabierte Blase mit einem Einwegventil. Normalerweise steigt der pH-Wert im Darmlumen von 4-6 im Zwölffingerdarm auf 7-8 im Ileum an und sinkt im anschließenden aufsteigenden Colon etwas ab. Sobald eine Kapsel mit voreingestelltem pH-Wert auf diesen Wert im Lumen trifft, löst sich die Beschichtung mit vorbestimmter Geschwindigkeit auf, die Blase entfaltet sich und kann bis zu 400 µl Lumenflüssigkeit ansaugen. Ist die Blase voll, so verhindert das Ventil, dass auf dem Weiterweg durch den Verdauungstrakt noch Flüssigkeit eintreten kann. Die Kapsel wird schließlich mit dem Stuhl ausgeschieden, daraus hervor geholt und ihr Inhalt analysiert

Die Untersuchungen erfolgten an 15 gesunden Personen im Rahmen einer klinischen Untersuchung. Um Proben aus vier verschiedenen Regionen des Darmtrakts nehmen zu können, nahmen die Versuchspersonen jeweils vier Kapsel-Typen mit unterschiedlichen pH-Sensitivitäten ein, nachdem sie Mahlzeiten ihrer Wahl gegessen hatten. Abbildung.

Abbildung. 4 Kapsel-Typen, die Proben aus mehreren Regionen des menschlichen Darmtraktes während der normalen Verdauung sammeln. Die Kapseln öffnen sich bei unterschiedlichen, ansteigend höheren pH-Werten. Kapsel-Typ 4 enthält eine zeitverzögerte Beschichtung, um die Sammlung in Richtung des aufsteigenden Dickdarms zu lenken wo der pH-Wert typischerweise im Vergleich zum terminalen Ileum abfällt. (Bild: Ausschnitt aus Dari Shalon et al, 2023 [1]., deutsch beschriftet; Lizenz cc-by).

Die Analyse: Ein sogenannter "Multiomics"-Ansatz wurde angewandt, um die Proben einerseits auf Bakterien, Viren, Wirtsproteine und andererseits auf Stoffwechselprodukte aus der Nahrung zu analysieren [1, 2]. In den verschiedenen Regionen des menschlichen Darms zeigten sich dabei signifikante, zum Teil dramatische Unterschiede in der Zusammensetzung des Mikrobioms, des Wirtsproteoms und in der Induktion von Prophagen. Auch hinsichtlich der Zusammensetzung der Stoffwechselprodukte - die Forscher identifizierten insgesamt nahezu 2000 Metaboliten - gab es massive Unterschiede vom oberen (proximalen) zum unteren (distalen) Dünndarm und zu Stuhlproben und (am Beispiel von Obst und Alkohol) interessante Zusammenhänge zwischen Ernährung und Metaboliten.

Fazit

Mit CapScan^® kann nicht nur eine neue Ära in der Forschung des Darmmikrobioms beginnen, die Kapsel kann auch breite Anwendung in der Forschung und Entwicklung von Arzneistoffen finden. Ein erstes Beispiel ist die auf der US-Plattform für Klinische Studien (ClinicalTrials.gov) gelistete Phase 1 Studie: "Evaluierung der CapScan-Vorrichtung zur Messung des Sulfasalazin-Stoffwechsels." (Sulfasalazin wird zur Behandlung von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen eingesetzt.) Dabei geht es darum die regionale Verteilung von Sulfasalazin, die metabolischen Abbauprodukte von Sulfasalazin und die Darmmikrobiota im Verdauungstrakt gesunder Freiwilliger zu charakterisieren. Die von Envivo Bio Inc. geleitete Studie an 10 gesunden Freiwilligen ist vor Kurzem zu Ende gegangen; sie wurde von den NIH unterstützt, die auch weiterhin die Entwicklung und klinische Evaluierung von CapScan fördern wollen.  Für ein anderes Projekt, eine klinische Studie  über die "Auswirkungen des Darmmikrobioms auf die Darmgesundheit von Müttern und Kindern in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen" die von Envivo in Zusammenarbeit mit Forschern von Stanford Medicine durchgeführt wird, hat die Bill and Melinda Gates Foundation  Mittel für zur Verfügung gestellt.

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 [1] Dari Shalon et al, Profiling the human intestinal environment under physiological conditions, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05989-7

[2] Jacob Folz et al, Human metabolome variation along the upper intestinal tract, Nature Metabolism (2023). DOI: 10.1038/s42255-023-00777-z

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 Mit CapScan könnten auch wesentliche Fragen zum Überleben von Probioika während der Darmpassage und zu ihrer Wirksamkeit  gelöst werden. Dazu:

Inge Schuster, 15.01.2023: Probiotika - Übertriebene Erwartungen?

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Do. 11.05.2023 — IIASA

Pilze bilden Netzwerke, welche die Bäume in einem Wald miteinander verbinden, diese Pilzgeflechte sind ein zentrales Element, das für den Zustand der Wälder ausschlaggebend ist und dafür, wie diese auf den Klimawandel reagieren. Laut der zunehmend populärer werdenden "Mutterbaum-Hypothese" werden solche Netze auch als Mittel betrachtet, mit dem Bäume ihren Jungbäumen und anderen "befreundeten" Bäumen nützen. In einer kürzlich erschienenen Studie hat eine internationale Forschergruppe die Hinweise, die für und gegen diese Hypothese sprechen, erneut überprüft.*

Die Bäume in einem Wald sind durch fadenförmige Strukturen, den so genannten Hyphen, von symbiotischen Pilzen miteinander verbunden; zusammen bilden diese ein unterirdisches Netzwerk, das so genannte Mykorrhiza-Netzwerk. Wie allgemein bekannt, können Mykorrhizapilze den Bäumen Nährstoffe im Austausch für den von den Bäumen gelieferten Kohlenstoff liefern.

Die Mutterbaum-Hypothese .............

Die so genannte Mutterbaum-Hypothese geht darüber hinaus und impliziert einen vollkommen neuen Zweck dieser Netzwerke. Über das Netzwerk teilen die größten und ältesten Bäume, die auch als Mutterbäume bezeichnet werden, Kohlenstoff und Nährstoffe mit Jungbäumen, die in besonders schattigen Bereichen wachsen und selbst nicht genügend Sonnenlicht für eine ausreichende Photosynthese erhalten. Die Netzwerkstruktur soll es den Mutterbäumen auch möglich machen, den schlechten Gesundheitszustand ihrer Nachbarn durch deren Notsignale zu erkennen und gemahnt zu werden diesen Bäumen die Nährstoffe zu schicken, die diese benötigen, um sich wieder zu erholen. Auf diese Weise - so die Hypothese - sollen die Mutterbäume als zentrale Knotenpunkte fungieren, die sowohl mit jungen Setzlingen als auch mit anderen großen Bäumen in ihrer Umgebung kommunizieren, um deren Überlebenschancen zu erhöhen.

Dies ist ein sehr ansprechendes Konzept, das nicht nur das Interesse der Wissenschaftler anspricht, sondern auch die Medien, in denen diese Hypothese dann oft als Tatsache dargestellt wird. In der soeben in der Zeitschrift New Phytologist veröffentlichten Studie [1] ist - nach Meinung der Autoren - die Hypothese jedoch nur schwer mit einer Theorie in Einklang zu bringen; dies hat die Forscher dazu veranlasst Daten und Schlussfolgerungen aus wissenschaftlichen Untersuchungen, die für und gegen die Mutterbaum-Hypothese sprechen, nochmals einer Prüfung zu unterziehen.

...............und was gegen diese Hypothese spricht

Abbildung 1. Die Mutterbaum-Hypothese und Feldstudien in borealen Wäldern .(a) Stammvolumen von Waldkiefern (Pinus sylvestris) in der Umgebung von alten Bäumen, die bei der vor 20 und mehr Jahren erfolgten Schlägerung erhalten geblieben waren: im Umkreis von weniger als 5 m von den alten Bäumen wiesen die neuen Bäume ein um 24 % geringeres Wachstum als weiter entfernte Bäume. Das hypothetische Wachstumsmuster des jüngeren Bestands im Falle von Konkurrenz bzw. Förderung durch den großen Baum ist orangefarben bzw. blau markiert. (Daten: Jakobsson (2005) [2]). , (b) Kartierung der Waldkiefern in einem Bestand in Südfinnland,(100 x 100 m). Die älteren Bäume sind durch geschlossene Kreise gekennzeichnet (Größen entsprechen den Stammdurchmesser-Klassen), die jüngeren Bäume durch offene Kreise. Der Bereich innerhalb eines Radius von 5-6 m um die älteren Bäume wurde blau schraffiert, um die geringe Dichte der jüngeren Bäume im Vergleich zu den Bereichen ohne alte Bäume hervorzuheben. (Bild aus Aaltonen (1926) [3] mit Genehmigung von Oxford Academic Press nachgedruckt). , (c) Nach Südwesten ausgerichteter Rand eines borealen Kiefernbestands und der verjüngte Bestand daneben (Schweden, 64°N). Man beachte das schwache Wachstum in der Nähe der größeren Bäume. (Abbildung: Fig. 1 aus N. Henriksson et al., 2023, [1] von Redn. deutsch beschriftet. Lizenz: cc-by-nc.)

Die unter der Leitung von Nils Henriksson von der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften ausgeführte Studie ergab, dass tatsächlich nur sehr limitierte empirische Belege für die Mutterbaum-Hypothese vorliegen, und theoretische Beweisführungen für die Mechanismen weitgehend fehlen [1].

Während große Bäume und deren Verbindungen zu ihren Nachbarn für das Ökosystem Wald nach wie vor essentiell sinnd, agiert das Pilznetzwerk nicht als eine einfache Pipeline, um Ressourcen unter den Bäumen zu aufzuteilen. In anderen Worten: der offensichtliche Austausch von Ressourcen zwischen den Bäumen ist eher das Ergebnis eines Handels zwischen Pilzen und Bäumen, als ein gezielter Austausch von einem Baum zum anderen. Sehr oft führt dies eher zu einer Verschärfung des Wettbewerbs zwischen den Bäumen, als zur Unterstützung der Stecklinge. Abbildung 1.

"Wir haben herausgefunden, dass Mykorrhiza-Netzwerke in der Tat für die Stabilität vieler Waldökosysteme unabdingbar sind, aber nur selten für ein Teilen und Hilfeleisten zwischen den Bäumen. Vielmehr funktioniert es wie ein Handelsplatz für einzelne Bäume und Pilze, die jeweils versuchen, das beste Geschäft zu machen, um zu überleben", erklärt Oskar Franklin, einer der Studienautoren und Forscher in der Forschungsgruppe Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Ökosystem-Dienstleistungen des IIASA-Biodiversity and Natural Resources Program. "Der Wald ist kein Superorganismus oder eine Familie von Bäumen, die sich gegenseitig unterstützen. Er ist ein komplexes Ökosystem mit Bäumen, Pilzen und anderen Organismen, die alle voneinander abhängig sind, aber nicht von einem gemeinsamen Ziel geleitet werden." Abbildung 2.

Abbildung 2. Alternative Wege des Kohlenstoff-Transfers von einem hypothetischen Donor-Baum zu einer Empfänger-Jungpflanze. EcM (Ectomycorrhiza): symbiotische Beziehung zwischen Pilzsymbionten und den Wurzeln von Pflanzen. Die blauen Pfeile stellen Mechanismen für die potenzielle Verteilung von Kohlenstoff aus dem Donor-Baum in den Boden dar, die keine gemeinsamen Mykorrhiza-Netzwerke (CMN) zwischen den Pflanzen erfordern. Zelluläre Atmung des Spenderbaums und seiner Mykorrhiza-Pilze geben in beiden Fällen Kohlenstoff (C) in Form von CO2 in den Boden ab, das in den Wurzeln des aufnehmenden Keimlings oder über die Photosynthese fixiert wird. Die Ausscheidungen der Feinwurzeln der Spenderbäume und des Mykorrhiza-Myzels setzen organische Verbindungen wie Kohlenhydrate, organische Säuren und Sekundärmetaboliten im Boden frei. Der Umsatz von Spenderbaum-C in Wurzeln und Mykorrhiza-Myzelien, Assimilation und Umsatz von Spender-C durch saprotrophe (d.i. vom Abbau organischer Verbindungen toter Organismen lebende) Pilze, Bakterien und Archaeen, sowie die Umverteilung durch diese und andere Lebensformen im Boden können dem Mykorrhiza-Myzel des aufnehmenden Setzlings ebenfalls C zur Verfügung stellen. Die Kettenräder-Symbole stehen an kritischen Kontrollpunkten des C-Transfers über CMN -Verbindungen. (Bild: Fig. 4. aus N. Henriksson et al., 2023, [1] von Redn. deutsch beschriftet. Lizenz: cc-by-nc.)

"Wenn auch die Mutterbaum-Hypothese wissenschaftlich kaum belegt und in der wissenschaftlichen Gemeinschaft umstritten ist, hat sie sowohl die Forschung als auch das öffentliche Interesse an der Komplexität der Wälder geweckt. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die künftige Bewirtschaftung und Untersuchung der Wälder die tatsächliche Komplexität dieser wichtigen Ökosysteme berücksichtigt", so Franklin abschließend.

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[1] Henriksson, N., Marshall, J., Högberg, M.N., Högberg, P., Polle, A., Franklin, O., Näsholm, T. (2023). Re-examining the evidence for the mother tree hypothesis - resource sharing among trees via ectomycorrhizal networks. New Phytologist DOI: 10.1111/nph.18935

[2] Jakobsson R. 2005. Effect of retained trees on the development of young Scots pine stands in Southern Finland. Doctoral thesis, Acta Universitatis Agriculturae Sueciae.

[3] Aaltonen VT. 1926. On the space and arrangement of trees and root competition. Journal of Forestry 24: 627–644.

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* Der am 9. Mai 2023 als Presseaussendung auf der IIASA-Webseite unter dem Titel " Exploring the underground connections between trees" erschienene Artikel Artikel  https://iiasa.ac.at/news/may-2023/exploring-underground-connections-between-trees wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und durch 2 Abbildungen plus Legenden aus der zugrundeliegenden Veröffentlichung [1] ergänzt. IIASA hat freundlicherweise der Veröffentlichung der von uns übersetzten Inhalte seiner Website und Presseaussendungen in unserem Blog zugestimmt.

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