Naturwissenschaften – Grundlagen und Anwendungen – allgemein verständlich und aus erster Hand. (Mehr dazu hier)

Wie erfolgt eine Optimierung im Fall mehrerer Kriterien? Pareto-Effizienz und schnelle Heuristik

MINTEine gleichzeitige Optimierung mehrerer Kriterien ist komplex und führt zu einer Vielzahl an nicht-vergleichbaren Ergebnissen. Entscheidungen hinsichtlich dieser Ergebnisse müssen dann an Hand weiterer Kriterien getroffen werden. Allerdings sind rigorose Formalismen zur Optimierung im praktischen Leben häufig nutzlos, wenn Entscheidungen rasch und daher mit begrenzter Rationalität zu treffen sind.

Peter SchusterJeder, der einmal in der Oberstufe eines Gymnasiums gesessen ist, hat gelernt, wie man das Maximum oder Minimum einer mathematischen Funktion bestimmt. Wie man optimiert, erscheint einem großen Teil unserer Bevölkerung – Wissenschafter miteingeschlossen – daher ein recht einfaches Unterfangen zu sein.

Grenzen des Ichs - Warum Bakterien wichtige Teile meines Körpers sind

Icon BiologieBakterienzellen besitzen zwar nur rund ein Tausendstel des Volumens unserer Körperzellen, ihre Zahl in und auf unseren Körpern ist aber zehn mal so hoch wie jene, und sie tragen beträchtlich zu unserer Gesundheit bei. Mehr als 10 000 Arten von Bakterien bewohnen unsere Körper, wobei der Großteil in unserem Verdauungstrakt residiert und eine bedeutende Rolle in der Umsetzung und Aufnahme von Nährstoffen spielt. Es gehen aber auch essentielle Bestandteile unserer Zellen – die Mitochondrien - ursprünglich auf Bakterien zurück und wurden zu einem Charakteristikum eukaryotischer Zellen.

Auge um Auge — Entwicklung und Evolution des Auges

Icon Biologie„Die Wissenschaft übertrifft Hollywood“ titelte die New York Times im März 1995, als Walter Gehring mit dem Gen Pax6 den Hauptschalter in der Entwicklung des Auges entdeckt hatte und dessen Funktion durch die Generierung zusätzlicher Augen auf unterschiedlichen Körperteilen der Taufliege bewies. Spätere Untersuchungen Gehrings ergaben, daß das Pax6-gesteuerte Augenentwicklungsprogramm ein universelles, bei allen Tieren von den Plattwürmern bis zu den Säugetieren, vorliegendes Prinzip darstellt, der Ursprung all der unterschiedlichen Augentypen also vom selben Prototyp ausgeht.

Walter Jakob Gehring
Die Natur hat im Verlauf der Evolution die verschiedensten Augentypen hervorgebracht. Diese reichen vom Kameraauge der Wirbeltiere mit einer Linse, die das einfallende Licht auf eine lichtempfindliche Netzhaut (Retina) projiziert, über das komplexe Facettenauge der Insekten und anderer Gliederfüßler, das aus zahlreichen Einzelaugen mit je einer Linse und einer Gruppe von Photorezeptorzellen zusammengesetzt ist, bis zum Spiegelauge, das beispielsweise bei der Jakobsmuschel sowohl über eine Linse als auch über einen reflektierenden Parabolspiegel verfügt, die das Licht auf eine Netzhaut projizieren. Abbildung 1.

Unterschiedliche Augentypen
Abbildung 1. Unterschiedliche Augentypen. A) Kamera-Auge der Eule, B) Facettenauge der Fliege, C) Spiegel-Auge der Jakobsmuschel, D) Prototyp-Auge bestehend aus einer Pigmentzelle und einer Photorezeptorzelle des Plattwurms Polycelis auricularis

Trotz dieser morphologischen Vielfalt bestimmen ähnliche physikalische und chemische Prinzipien den Sehvorgang. In allen Vielzeller-Organismen finden sich sogenannte Opsine als Sehpigmente. Dies sind Photorezeptor-Proteine, die - von einem einzelnen Lichtimpuls (Photon) angeregt - eine Konformationsänderung durchlaufen und damit einen Nervenimpuls auslösen.

Darwins Hypothese zum Ursprung des Auges

Für Darwin war es eine besondere Herausforderung, die Entstehung und Entwicklung des Auges zu erklären, und er widmete diesem Thema ein ganzes Kapitel in seinem Buch „The Origin of Species“. Er war davon überzeugt, daß ein so perfektes Organ wie beispielsweise das Auge eines Adlers nicht ein durch rein zufällige Variationen und Selektion entstandener Prototyp sein könnte, weil ja Selektion erst einsetzen kann, wenn ein bereits ansatzweise funktionierender Prototyp existiert. In genialer Weise fand er eine Lösung des Problems: Er postulierte, daß sehr früh in der Entwicklung ein ganz einfaches, aus zwei Zellen - einer Nervenzelle (Photorezeptorzelle) und einer Farbstoffzelle (Pigmentzelle) - bestehendes Auge existiert haben mußte, das ausreichte um seinem Träger bereits das Richtungssehen und damit einen Selektionsvorteil zu ermöglichen. Ausgehend von diesem höchst einfachen Prototyp hätten sich dann die viel komplexeren Augen eines Insekts, eines Fisches, eines Vogels entwickelt.

Reinhard Böhm, ScienceBlog-Autor, ist tot

In einem am 9. Oktober erschienenen Nachruf bezeichnet „Der Spiegel“ Reinhard Böhm als österreichischen Vater der Klimaforschung sowie einen der bedeutendsten Klimaforscher der Welt und charakterisiert ihn in äußerst treffender Weise: „Seine kritische Haltung widersprach oftmals der gerade modernen Meinung zu Umweltthemen ... er sprach jeder Art ideologischer, voreingenommener Wissenschaft sein Misstrauen aus.” In unserem Blog soll Reinhard Böhm noch einmal gehört werden: seine Ansichten zur Klimahysterie, aber auch ganz allgemein zum Wissenschaftsbetrieb in Österreich.

Es ist nun gerade vier Wochen her, dass der letzte Beitrag von Reinhard Böhm „Spielt unser Klima verrückt – zur Variabilität der Klimaschwankungen im Großraum der Alpen“ im Blog erschienen und auf das – bis jetzt – größte Echo gestoßen ist. Am 9. Oktober erreichte uns die bestürzende Nachricht, daß Reinhard Böhm am Vortag plötzlich und völlig überraschend gestorben sei, an den Folgen eines Herzinfarkts, den er bei Feldmessungen auf den Gletschern des Sonnblickgebietes erlitten hatte.

Reinhard Böhm hat seit 1973 an der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) gearbeitet, mehr als 150 Studien veröffentlicht – die meisten über Klima- und Gletscherforschung im Alpenraum – und damit die Klimaforschung auch international geprägt. Neben seiner Tätigkeit als höchstrenommierter Wissenschafter hat Böhm versucht, den aktuellen Stand seines Fachgebietes der Öffentlichkeit klar und verständlich zu vermitteln, jedoch immer auf wissenschaftliche Korrektheit bedacht. Demzufolge war das Konzept unseres ScienceBlogs ganz nach seinem Geschmack, und er hat sofort zugesagt, Beiträge zu liefern.

Evolution – Quo Vadis?

Icon BiologieDie Evolution verläuft nach Regeln, die von einfacheren zu immer komplexeren neuen Lebensformen führen. Unglaublich viele dieser Lebensformen sind auf dem Weg bis zu uns Menschen bereits ausgestorben. Wie dieser Weg weitergeht, ist für uns nicht voraussehbar.

Uwe SleytrWir leben wissenschaftlich in einer faszinierenden Zeit. Einzelwissenschaften, wie beispielsweise Physik, Chemie, Biologie, Zell- und Molekularbiologie, Genetik, Synthetische Biologie, Materialwissenschaften und Kognitionswissenschaften, verlieren ihre Grenzen. Wir sprechen auch von einem Paradigmenwechsel, weg von den Einzelwissenschaften hin zu den „Converging Sciences“, also einer methodischen Verschmelzung der Wissens- und Forschungsgebiete. Fragt man nach den Gründen für diese Entwicklung, zeigt sich immer deutlicher, dass über ein immer tiefer gehendes Verständnis der Materie und der ihr innewohnenden Fähigkeit immer komplexere Strukturen einzunehmen, auch die Grenzen zwischen unbelebter und belebter Materie verschwinden. Am Horizont unserer Erkenntnis sehen wir immer klarer einen dem Universum innewohnenden Mechanismus. Insbesondere sind es die Gesetzmäßigkeiten der biologischen Evolution, die unsere naturwissenschaftliche Denkweise beeinflussen.

Sonnenkinder — Wie das atomare Feuer der Sonne die Meerestiefen erhellt

Icon BiologieSonnenlicht ist eine unerschöpfliche Energiequelle, welche die Natur schon sehr früh mit Hilfe des grünen Sonnenkollektors Chlorophyll in verwertbare Energie umzuwandeln gelernt hat.

Gottfried SchatzAm Anfang war das Licht. Der Urknall, der das Universum vor etwa 14 Milliarden Jahren schuf, war eine Explosion strahlender Energie. Als sich das Universum dann ausdehnte und abkühlte, ermattete das Licht zu unsichtbaren Radiowellen. Schon nach einigen hunderttausend Jahren begann eine 30 Millionen Jahre währende Finsternis, in der sich ein Teil der Strahlung zu Materie verdichtete. Diese wiederum ballte sich zu Gaswolken und dann zu Galaxien zusammen. In deren Innerem presste die ungeheure Schwerkraft Atomkerne so stark zusammen, dass sie miteinander verschmolzen und dabei gewaltige Energiemengen als Licht freisetzten. Die atomaren Feuer dieser ersten Sterne schenkten dem jungen Universum wieder Licht.

Lise Meitner – weltberühmte Kernphysikerin aus Wien

Icon PhysikLise Meitner hat, nachdem sie als zweite Frau vor mehr als hundert Jahren an der Universität Wien in Physik promovierte, die wissenschaftliche Laufbahn eingeschlagen und grundsätzliche Beiträge zum Verständnis des Aufbaus von Atomkern, Atomhülle und der Vorgänge beim radioaktiven Zerfall geleistet. Lise Meitner ist ein herausragendes Beispiel dafür, dass - auch für Frauen und unter schwierigsten Bedingungen - naturwissenschaftliche Begabung gepaart mit Enthusiasmus und enormem Einsatz zu Erfolg und Ruhm führen kann.

Lore Sexl"... ich fühle beinahe täglich mit Dankbarkeit, wieviel ich an Gutem und Schönem von zuhaus mitbekommen habe. Letzten Endes ist es noch heute der Boden, auf dem ich stehe ...."
Lise Meitner an die Wiener Physikerin Berta Karlik 1951

JAHRE DER PRÄGUNG - WIEN 1878-1907

Zentralismus und Komplexität

Icon Politik & GesellschaftZentralismus versagt in der Kontrolle hochkomplexer Systeme. Ein eindrucksvolles Beispiel aus den Regulationsmechanismen der Natur. Die Ineffizienz zentraler Kontrollen ist uns allen aus unserem täglichen Leben bekannt. In der Natur ist das Problem der Regulation komplexer Systeme, wie der Genexpression in höheren Organismen, durch ein Zusammenspiel von zentraler und dezentralisierter Kontrolle gelöst.

Spielt unser Klima verrückt? Zur Variabilität der Klimaschwankungen im Großraum der Alpen

Icon GeowissenschaftenTreten mit dem Klimawandel extreme Klimasituationen - Hitzewellen, Kältewellen, Trockenperioden und Starkniederschläge - immer häufiger auf? Die Analyse von 250 Jahren Klimavergangenheit aus direkten Messungen im Großraum Alpen (HISTALP) spricht dagegen.

Reinhard BöhmIm öffentlichen Diskurs wird es als erwiesen betrachtet, dass der Klimawandel mit einer Zunahme von Häufigkeit und Intensität extremer Wettersituationen einhergeht. So formulierte beispielsweise Erwin Mayer, ein Klimaexperte von Greenpeace, im Jahre 2005 „Heute gibt es in der Wissenschaft keine Zweifel mehr daran, dass das Klima immer extremer wird!“

Zu diesem Thema hat sich der Weltklimarat IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) in seinem jüngsten, 2012 erschienenen Bericht [1] allerdings sehr vorsichtig geäußert: „Confidence in observed changes in extremes depends on the quality and quantity of data and the availability of studies analyzing these data, which vary across regions and for different extremes“ und diesbezüglich angemerkt: „Extreme events are rare, which means there are few data available to make assessments regarding changes in their frequency or intensity.”

Grausamer Hüter — Wie uns Schmerz schützt – oder sinnlos quält

Icon BiologieNichts warnt so eindringlich vor Gefahr wie akuter Schmerz, nichts kann so zerstörerisch wirken wie chronischer Schmerz, der seine Signal- und Warnfunktion verloren hat. Der Kampf gegen den Schmerz (und seine überkommenen soziokulturellen Sichtweisen) hat neue, mechanistisch basierte Ansatzpunkte gefunden, deren therapeutische Umsetzung plausibel erscheint.

Gottfried SchatzWir sehnen uns zeit unseres Lebens nach der Geborgenheit unserer Kindheit. Vielleicht hat Thomas Wolfe sein grosses Epos deswegen «Look Homeward, Angel» genannt. Wo ist mein Schutzengel geblieben, der mich einst behütete? Eltern und Lehrer, die ihn mir schenkten, haben ihn wohl mit sich ins Grab genommen. Dennoch bewahren mich auch heute noch unzählige winzige Hüter vor Gefahr. Es sind Sensoren meines Körpers, die mich sehen, hören, riechen, schmecken, fühlen – und Schmerz empfinden lassen.

Sensoren

Carl Auer von Welsbach: Vorbild für Forschung, Entwicklung und Unternehmertum

Inge SchusterDer österreichische Chemiker Carl Auer von Welsbach (1858 – 1929) war Forscher, Entdecker, Erfinder und Unternehmer in einer Person. Seine drei großen Erfindungen - das Gasglühlicht, die Metallfadenglühlampe und der Zündstein - haben weltweit eine neue Epoche eingeleitet, seine auf diesen Erfindungen basierten Firmen florieren heute noch. Welcher Voraussetzungen bedurfte es zu derartig grandiosen Erfolgen?

Das Auer von Welsbach Denkmal vor den Chemischen Instituten der Universität WienAbbildung 1: Das Auer von Welsbach Denkmal vor den Chemischen Instituten der Universität Wien. Details: Jüngling mit brennender Fackel an der Spitze. Inschrift auf der Rückseite

Carl Auer von Welsbach kam 1858 in Wien zur Welt. Sein Vater stammte aus einer oberösterreichischen Flößerfamilie, hatte sich als Autodidakt zum Direktor der k.u.k. Hof-und Staatsdruckerei emporgearbeitet und daraus einen weithin berühmten, typographischen Musterbetrieb geschaffen. Der Sohn hatte Begabung, Bildungsdrang, enormen Fleiß und Durchsetzungskraft vom Vater geerbt, diesen in seinen Erfolgen aber weit übertroffen.

Lassen sich Art und Weise, in der Carl Auer von Welsbach Forschung & Entwicklung betrieben hat, als Leitbild auf unsere Zeit übertragen?

Welche Rolle spielten dabei persönliche Eigenschaften und Fähigkeiten, wie Bildung, Wissen, Expertise, Eigeninitiative, Kreativität und systematische Forschung, welche Risikobereitschaft und Geschick in finanziellen Belangen?

Schlußendlich aber auch: welches Umfeld ermöglicht solche Erfolge?

Das Element Zufall in der Evolution

Icon PhysikDie Bedingungen, die zur Entstehung und Entwicklung von Leben führten, sind eng mit der Entwicklung des gesamten Kosmos verknüpft. Wie sieht ein theoretischer Physiker die Aussage, die Evolution sei zufällig verlaufen.

Peter Christian AichelburgNach der allgemein anerkannten Urknall-Theorie hat sich das Universum aus einer dichten, sehr heißen Urphase über nahezu 14 Milliarden Jahre zum heutigen Zustand in Form von Milliarden von Sternen zusammengeballt zu Galaxien und Galaxienhaufen, Superhaufen und Filamenten entwickelt, eingebettet in einen Kosmos der mit zunehmender Geschwindigkeit expandiert. Die heute beobachtbaren Strukturen des Universums sind also erst allmählich entstanden (Abbildung 1).

UrknallAbbildung 1. Urknall-Modell: Entstehung und Expansion des Weltalls. Das anfänglich sehr dichte und heißere Universum enthielt im kosmischen Plasma Photonen, die vorerst an den geladenen Teilchen gestreut wurden, Nach der Abkühlung und Entstehung von Atomen konnten sich die Photonen nahezu ungehindert ausbreiten = Hintergrundstrahlung. Danach begann allmählich unter der Wirkung der Gravitation die Kondensation der Materie zu den Strukturen wie wir sie heute beobachten.

Die biologische Evolution auf der Erde ist eng mit der Evolution des ganzen Kosmos verknüpft. Voraussetzung für das Leben auf der Erde war die Existenz von Kohlenstoff. Dieser kann aber nur im Inneren von Sternen durch Kernfusion entstanden sein: Waren in den ersten Sekunden nach der „Geburt des Kosmos“ aus der „Ursuppe“ von Elementarteilchen nur die leichtesten Atomkerne – Wasserstoff und Helium (und Spuren von Lithium, Beryllium) entstanden, so wurden die schwereren Elemente durch Kernfusionsprozesse im Innern der ersten, aus kollabierten Gaswolken entstandenen Sterne erzeugt. Somit ist die Entstehung von Leben erst nach dem Ausbrennen und Explodieren der ersten Sterne (Supernovae), das heißt erst ab der zweiten Sterngeneration möglich.

Chronische Entzündungen als Auslöser von Knochenschwund – Therapeutische Strategien

Icon MedizinEntzündungsprozesse bewirken eine Aktivierung der knochenabbauenden Osteoklasten bei gleichzeitiger Blockierung der knochenaufbauenden Osteoblasten und sind damit wichtige, aber meistens ignorierte Ursachen für die Entstehung von Knochenschwund. Strategien zur Therapie des Knochenschwunds setzen bei der ursächlichen Bekämpfung des Entzündungsprozesses an, aber auch bei der Manipulation der für den Knochenumbau verantwortlichen Zellen.

Kurt RedlichJosef SmolenDie systemische Osteoporose kann als Begleiterkrankung verschiedener, chronisch-entzündlicher Erkrankungen auftreten. Ist bei diesen Erkrankungen die zugrunde liegende Ursache bekannt und kann beseitigt werden, so erweist sich dies auch als effiziente Therapie der assoziierten Osteoporose. Dafür können einige Beispiele angeführt werden:

  • Die Zöliakie ist eine chronisch-entzündliche Erkrankung der Schleimhaut des Dünndarms bedingt durch eine Überempfindlichkeit gegen Gluten-Bestandteile. Wird eine Gluten-freie Diät eingehalten, so kommt es auch zu einer raschen Besserung der Knochendichte.
  • Bei Patienten mit Parodontitis (ausgelöst durch Infektionen des Zahnfleisches) sind antibakteriell wirksame Tetrazykline auch erfolgreich in der Behandlung des systemischen und lokalen Knochenschwunds (allerdings dürften hier nicht nur antimikrobielle Aktivitäten dieser Medikamente zur Wirkung kommen).
  • Bei der Mukoviszidose, einer genetisch bedingten Stoffwechselerkrankung mit einer gesteigerten Bildung von klebrigem, zähflüssigen Schleimsekret (insbesondere in den Atemwegen und im Verdauungstrakt), kommt es zu wiederholten Infektionen, die für den systemischen Knochenschwund verantwortlich sein dürften: eine strenge antiinfektiöse Therapie führt auch hier zu einer Verbesserung der Knochendichte.

Allerdings sind die Ursachen der meisten chronisch-entzündlichen Erkrankungen (noch) unbekannt. Daher sind hier therapeutische Strategien anzuwenden, die in spezifischer Weise den Entzündungsprozeß und essentielle Schritte in diesem Prozeß zum Ziel) haben.

Elektromobilität – Elektrostraßenfahrzeuge

Icon MINTElektrische Straßen- und Hybridfahrzeuge haben in der letzten Zeit enorm an Bedeutung gewonnen. Der Artikel gibt Auskunft über den heutigen Stand der Speichertechnologien und Energiewandler, der Wärmebedarfsdeckung des Fahrzeugs und der verschiedenen Typen von elektrischen Antriebsmaschinen.

Erich RummichIn den letzten Jahren beschäftigen die Menschheit Themen wie das steigende Wachstum der Erdbevölkerung, der damit verbundene Klimawandel, die Erschöpfung der verschiedenen Ressourcen und die stets ansteigende Mobilität der Menschen.

Ein neues Thema ist die so genannte Elektromobilität.

Elektromobilität bezeichnet den Einsatz von elektrischer Energie zum Betreiben von individuellen Fahrzeugen oder elektrische Hybridantriebe (Elektro- und Verbrennungsmotor) für die Erfüllung der unterschiedlichen individuellen Mobilitätsanforderungen. In jüngster Zeit wird der Begriff Elektromobilität auch in Verbindung mit Programmen der unterschiedlichsten Institutionen zur Förderung des Einsatzes von Elektrofahrzeugen verwendet.

Elektrischer Strom, erzeugt aus erneuerbaren Energieträgern, bietet die Vorteile einer abgas- und feinstaubfreien sowie geräuscharmen Verkehrsbewältigung.

Unheimliche Gäste — Können Parasiten unsere Persönlichkeit verändern?

Icon BiologieWenn der Parasit Toxoplasma gondii Nagetiere infiziert, setzt er sich in Gehirnregionen fest, welche Emotionen steuern und manipuliert diese. Latente Infektionen mit diesem Parasiten gehören zu den häufigste Infektionen des Menschen. Untersuchungen zu Persönlichkeits-Profilen, Verhalten und Psychomotorik zeigen ausgeprägte Unterschiede zwischen infizierten und nicht-infizierten Menschen.

Sehr geehrter Besucher, wir laden Sie herzlich ein, Ihre Meinung, Kritik und/oder auch Fragen in einer Mailnachricht an uns zu deponieren. Gültigen Absendern werden wir zügig antworten.

Inhalt abgleichen