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Genom

Gesamtheit der genetischen Information eines Organismus

          In jeder Zelle ist das vollständige Genom repräsentiert. Deshalb ist es möglich Genanalysen in Blutproben, Schleimhautabstrichen, Haarwurzeln usw. durchzuführen.

Informationen über Genetik . . . 

In allem ist Zahl und Maß

Chromosom

Linearer DNA-Faden, in gestreckter Form etwa 1 – 10 cm – in jedem Zellkern (5-10 µm) sind 46 Chromosomen (Diploider Satz) verpackt;

           Der haploide Satz enthält 23 Chromosomen, davon 22 Autosomen und ein Geschlechtschromosom; entweder X (weiblich) oder Y (männlich). Im diploiden Satz bedeuten XX (Frau), XY (Mann);

DNA
= Deoxyribonucleic 

Acid

Langes lineares Polymer aus vier verschiedenen Nukleotiden (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) , welches aus zwei antiparallelen Strängen besteht. Die Paarung beider Einzelstränge erfolgt über Wasserstoffbrücken.      

Chemische Grundlage der genetischen Information von jedem Lebewesen (Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere und Menschen). Diese ist in der unterschiedlichen Reihenfolge der Basen A, G, C, T festgeschrieben. Die daraus entstehende „genetische Sprache“ mit vier Buchstaben bedingt letztlich die Diversität der Schöpfung. Zwischen einer pflanzlichen, tierischen oder menschlichen DNA gibt es keine fundamentalen Unterschiede. Deshalb ist es auch ohne weiteres möglich, beispielweise menschliche DNA-Fragmente in eine pflanzliche einzubauen oder umgekehrt. In menschlichen Zellen ist die DNA einerseits im Kern und ein kleiner Anteil in den Mitochondrien (Zellorganelle – Kraftwerke der Zellen)

            Die DNA differiert von Mensch zu Mensch geringfügig und bildet damit auch die Grundlage der biochemischen Individualität.

Neueste Erkenntnisse (Quelle: DIE ZEIT Nr. 25 / 2008)

Die Erbinformationen sind nicht in jeder Zelle dieselbe. Schon länger bekannt sind die Abweichungen, bei denen ein Baustein gegen ein anderes ausgetauscht wurden, die SNPs. Zwei Menschen unterscheiden sich in rund sechs Millionen SNPs.

Die Vorstellung, dass ein einzelnes Gen etwa für eine Krankheit verantwortlich ist, trifft in den seltensten Fällen zu. Gene auf unterschiedlichen Abschnitten der DNA wirken auf komplexe Weise zusammen.  . . . Der weitaus größte Teil des Genoms galt lange Zeit als sinnloser evolutionärer Schrott ('JunkDNA'). Inzwischen hat sich herausgestellt, dass . . . sich in ihm der gesamte hochkomplexe Steuerungsapparat verbirgt, der die Aktivität der Gene reguliert und koordiniert. Die wichtigste Steuerungsaufgabe hat das System der microRNA-Gene. Es steuert alle grundlegenden biologischen Prozesse wie die Zellspezialisierung, die Immunabwehr oder die Alterung. Seine Defekte werden als eine Hauptursache für die Entstehung von Krebs und viele chronische Krankheiten angesehen. 

"Unzutreffend ist auch . .  ., jedes Gen existiere in der Regel nur zweimal im Erbgut (einmal im väterlichen, einmal im mütterlichen ererbten Satz der Chromosomen). In Wahrheit unterliegen zahlreiche Erbinformationen einem Vervielfältigungsprozess und existieren in bis zu 16 Kopien im Zellkern. . . . Verschärft wird die Brisanz der Befunde durch die Entdeckung, dass die CNV-Muster (copy number variants) im Erbgut keineswegs stabil sind, die Kopienzahl der Gene kann sinken oder steigen, selbst die Körperzellen eines einzelnen Menschen unterscheiden sich voneinander. Unter der Wucht der Befunde zerbröselt nun die Idee, das Genom stelle eine naturwüchsige Konstante das, einen fixierten Quellcode des Menschen."

"Angesichts der Flut dieser noch weithin mysteriösen Befunde ergeht es den Genforschern ganz ähnlich wie Kosmologen, die seit einigen Jahren nach der geheimnisvollen "dunklen Materie" im Universum forschen. Auch die Biowissenschaftler rätseln nun über the dark matter of the genome, die dunkle Materie des Erbguts."

"Angesichts der Komplexität und Unbestimmtheit der genetischen Prozesse entlarven sich nun viele Visionen vom optimierten Designmenschen, aber auch manche Warnungen vor den Gefahren der Genforschung als arg vereinfachter Vulgärbiologismus . . . . Und die Fantasie, man könne durch Klonen begnadete Künstler, geniale Forscher oder einfach einen geliebten Menschen in identischer Form wiederauferstehen lassen, wird wohl auf ewig Wunschdenken bleiben."

Total 2,91 x 10⁹ Basenpaare

Gene (30 000 bis 35 000)

Replikation, Transkription,
und Translation

Als Informationsspeicher dient die DNA nur dann, wenn die Information einerseits weitergegeben (Replikation), andererseits aber auch genutzt werden kann (Transkription).

 Die Replikation erfolgt nicht fehlerfrei. Ausgeklügelte Reparaturmechanismen verhindern eine Akkumulation von Fehlkopien. Man rechnet eine Mutation auf drei Zellteilungen; ein Gen durchschnittlicher Größe wird in 200 000 Jahren von einer Mutation betroffen. Damit sich eine Mutation auf die Nachkommen auswirkt, muß sie in der Keimbahn stattfinden. Diese Mutationshäufigkeit bildet die Grundlage der Evolution. Mit Erstaunen stellen wir fest, wie die systematischen Sequenzvergleiche der Eiweiße mit der gleichen Funktion in der ganzen belebten Natur zu neuen entwicklungsgeschichtlichen Zusammenhängen führen.

Das Ablesen der Information (Transkription) erfolgt im Organismus zeitlich und räumlich) hochspezifisch. Er führt zu einem komplementären Abbild des kopiertes DNA-Segments in Form einer einsträngigen mRNA (messenger RNA).
Dies führt zu ziemlich kurzlebigen Molekülen mit einem hohen Umsatz. Dies erlaubt einen raschen Wechsel der an die Zelle weitergegebenen Informationen, und somit eine rasche Anpassungsfähigkeit an das System.

Schließlich  wird die Information der RNA anhand des genetischen Codes in eine kolineare Sequenz von Aminosäuren übersetzt (Translation). Je drei Buchstaben der DNA (Triplett) codieren für eine der zwanzig Aminosäuren. Da vier Buchstaben zur Verfügung stehen, können 64 verschiedene Tripletts gebildet werden. Zudem gibt es Tripletts, die das Ende der Translation und damit der Länge eines Eiweissmoleküls bestimmen, eine Art Interpunktionszeichen.

GEN

Früher: Erbfaktor

heute: chemisch definierter Abschnitt eines DNA-Strangs, der transkripiert wird, also die Synthese einer RNA bewirkt. Das Transkript führt meist zur Bildung eines Proteins.

Aus der Struktur eines Genprodukts kann nie auf die Struktur des Gens selber geschlossen werden, weil der genetische Code nicht rückwärts übersetzt werden kann und weil das Gen selber einen variablen Anteil nicht codierender DNA enthält. Der Basensequenz ist die Genstruktur nicht anzusehen, weil es keine für den Anfang oder das Ende der Transkription allgemein gültige Sequenz gibt wie bei der Translation.

Frage an den 
Genetiker:

Sind die grund-
legenden Fragen
der Genetik beantwortet?

Ich glaube ja. 
Die letzte unbeantwortete
Frage ist die, wie das Leben
entstanden ist. Und die wird
vermutlich nie jemand
beantworten können.

Die Spannung zwischen der Drei und der Vier



Kugelvolumen:
V = ⁴/₃ r³p

GEHIRN

Zwei Hälften müssen zusammen-
spielen.





Rechts:
Empfinden
Raum
Synthese
Bewegungen
Gestalten

Links:
Denken
Zeit
Elemente
Beziehungen

Je mehr - notwendigerweise bruchstückhaftes - Wissen wir über die Leistung des Gehirns zutage fördern, desto mehr erkennen wir, wie komplex und vielgestaltig es arbeitet. Das Gehirn besteht aus fünfzig Milliarden Neuronen, Nervenzellen, die alle irgendwie miteinander verbunden sind und ein Ja oder ein Nein senden können. Allein die sich daraus ergebenden Kombinationen und Permutationen sind größer als die Anzahl von Atomen im Universum. Das erweckt Ehrfurcht.

"Die Regeln in diesem ganz speziellen Organ kann [ Henry ] Markram [Der 1962 in Südafrika  geborene Markram leitet im schweizerischen Lausanne das Blue Brain Project – den Versuch, mithilfe eines Supercomputers das Gehirn naturgetreu zu simulieren. ] in faszinierenden Metaphern beschreiben. Im Gehirn sieht er zum Beispiel eine »ideale Demokratie« verwirklicht: »Jede Nervenzelle ist einzigartig, und ein und dasselbe Signal wird von tausend Nervenzellen auf tausend unterschiedliche Arten verarbeitet. Doch zugleich respektieren sich die Neuronen vollständig und gleichen permanent ihre Interpretationen miteinander ab – ganz anders als eine menschliche Gesellschaft, in der einer sagt, er habe recht und alle anderen unrecht.« Da schwingt sie wieder mit, die Vision vom großen Ganzen, das alle Teile vereint und zugleich in allen Teilen enthalten ist. Zugleich sei das Gehirn aber auch die »totale Autokratie«: Denn Entscheidungsprozesse werden meist von einzelnen Neuronen (oder Neuronengruppen) eingeleitet, deren Impulse sich kaskadenartig im Gehirn verbreiten. »Der Unterschied zur Gesellschaft ist, dass im Gehirn der König in jeder Millisekunde wechselt.« Denn nur wer gerade über die meiste Information verfügt, hat Entscheidungsgewalt; doch schon im nächsten Moment wird der Neuronenkönig zum »Straßenkehrer«, und andere Nervenzellen geben die Richtung vor." . . .

"Anders als in einem Computer werden im Gehirn Informationen multidimensional, nichtlinear und in permanenter Rückkopplung ausgetauscht. Es gleiche einem schwirrenden Bienenschwarm, der ständig seine Form, Zusammensetzung und Arbeitsverteilung ändere, sagt Markram. »Mir wurde klar, dass man, um diese Komplexität zu verstehen, eine völlig neue Sprache entwickeln muss.« Jahrelang sammelte er wie ein Besessener weiter Daten und suchte in Diskussionen mit Informatikern und Physikern nach dieser neuen Sprache. Viele Gespräche enttäuschten ihn, die meisten Forscher dächten zu statisch, sagt er. Mit vereinfachten Modellen aber will er sich nicht zufrieden geben, für ihn führt kein Weg an einem echten Verständnis der komplexen Hirndynamik vorbei."

Quelle: ZEIT 2009/21

   Gehirn braucht Körper und Umwelt

Der Arzt Felix Tretter führt in der SZ  vom 9.9.2008 aus: 
Es ist zu bedenken, "dass sich bisher noch kein Hirnforscher mit einem Gehirn ohne Sinnesorgane und ohne motorische Ausdrucksorgane verständigen konnte - das Gehirn braucht den Körper braucht die Umwelt. Das Gehirn ist deshalb nicht nur ein Ort des Bewusstseins, sondern ein Beziehungsorgan, das das personale Selbst über seine Leiblichkeit mit der umgebenden Außenwelt in einen funktionellen Zusammenhang stellt. Daher müsste die Hirnforschung in eine übergreifende 'Ökologie des Gehirns' eingebettet werden, wie sie der Heidelberger Psychiater Thomas Fuchs postulierte."

Weiteres zu diesem Thema . . .

"Wir tun nicht was wir wollen, sondern wir wollen was wir tun." Zahlreiche Experimente haben zu diesem Ergebnis geführt. Diese gehen so weit, dass es schon gelungen sei, einer Versuchsperson mittels eines Reizes in einer bestimmten Hirnregion dazu zu zwingen, den Arm zu bewegen, und die Versuchsperson ist anschließend der sicheren Überzeugung, sie habe den Arm aus freien Willen bewegt. Zwei wesentliche Grundlagen des Freiheitsbegriffs sieht Roth (Hirnforscher der Uni Bremen) hierdurch widerlegt: Zum einen der Glaube "Ich bin es, der das tut". Zum anderen das subjektive Gefühl einer Wahlmöglichkeit: Ich könnte auch anders handeln, wenn ich es wollte". Das Ich wurde im Gehirn nirgendwo gefunden, wohl aber ein Mechanismus, der sämtliche scheinbaren Willensakte vollständig determiniert. 

Wie reagieren Geisteswissenschaftler auf diese Provokation? .... 

Wilhelm Vossenkuhl (Philosoph Uni München):  "Der Mensch ist so frei, wie er sich machen kann." 

"In den Theorien der Philosophiegeschichte wurde Freiheit nicht als Behauptung einer empirischen Tatsache begriffen, sondern als Postulat oder Norm. Die Experimente sind schon dadurch eingeschränkt, dass sie nur Minimalhandlungen untersuchen - die Freiheit, eine kleine Handbewegung zu machen -, nicht aber die komplexen Handlungsentscheidungen zwischen widersprüchlichen Gründen und Motiven, mit denen sich die Philosophie von der privaten Lebensplanung bis zur Staatstheorie beschäftigt. "

Klaus Lüderssen (Strafrechtler Uni Frankfurt) 

Für unser Rechtssystem sind die Entdeckungen der Hirnforschung jedoch dramatisch. ... Verbrecher wird man weiterhin bestrafen können, auch bei einem neuronal determinierten Tatverlauf, nur wird die Begründung dann nach Art des Maßregelrechts ausfallen müssen und insbesondere mit der "Gefährlichkeit" des Täters argumentieren. Er warnt vor der Überbewertung der experimentellen Resultate: "Wissen wir schon genug?" Zwischen den bisherigen experimentellen Resultaten und den "großen Thesen" der Hirnforschung über den Freiheitsbegriff liege eine Erklärungslücke. die mit vielen unzureichend reflektierten Annahmen gefüllt sei."

Gerhard Roth (Hirnforscher Uni Bremen)

"Auch und gerade indem sie das Gehirn als deterministische Maschine begreift, eröffne die Hirnforschung Möglichkeiten, die Freiheit im wohlverstandenen Sinn zu vergrößern. ... Im Unterschied zu allen Tieren ist das menschliche Gehirn zur langfristigen Handlungsplanung fähig. Es kann sich unzählige Alternativen vorstellen und ihre Konsequenzen gegeneinander abwägen. Auch wenn dieser Prozess des Abwägens determiniert ist, bedeute es einen Gewinn an Freiheit, sich mit der Frage "Hast Du auch alles gut durchdacht?" die Menge der Alternativen, die in den Entscheidungsprozess eingehen, zu vergrößern. Frei fühlen wir uns, wenn die bewussten und die unbewußten Teile unseres Gehirns zur selben Entscheidung konvergieren."

Bericht in der SZ (Mai 2004)

... Es ist kaum vorstellbar, dass Milliarden von Siliziumtransistoren eigene Gedanken entwickeln, dass Datenkabel, Funknetze und Mikroprozessoren zu einer Art Leben erwachen. Ein einzelner Computer ist und bleibt so dumm wie ein Stück Fleisch, weil seine starre Struktur keine Evolution zulässt. Das Denken braucht Chaos im Bauplan.

Doch was, wenn Computer wie Nervenzellen verflochten werden? Mit weit mehr als einer Milliarde verknüpfter Computer müsste das Internet als Gehirn längst eine Art Embryonalstadium erreicht haben. Die Zahl der Maschen übertrifft die eines Echsenhirns um das tausendfache, und wird in zwei Jahren etwa der einer Katze gleichkommen. In ihrer Gesamtheit bilden all die Computer dieser Welt mittlerweile ein Netz, dessen Morphologie weit mehr einem Gehirn ähnelt als es sich unterscheidet. So wie das Hirn ist auch das Internet nicht zentral gesteuert. Es organisiert sich über lokale, selbstorganisierende Hierarchien.  Physiker am CERN, wo vor zehn Jahren Hypertext und das Word Wide Web, http und www, erfunden wurden, arbeiten schon an der nächsten Stufe der Dezentralisierung. Unter dem Stichwort "Grid-Computing" soll künftig nicht nur Informationen verteilt werden, sondern auch Rechenleistung. 

Daten aus der Peripherie, etwa den Sinneszellen fließen nicht gebündelt durch das Gehirn. Es ist vielmehr erstaunlich, wie das Gehirn unzählige, zerhackte Informationshäppchen synchronisiert und zu sinngebenden Paketen verschnürt. Eine ähnliche Logik liegt auch der Urgrammatik des Internets zugrunde, dem sogenannten Internet-Protocol (IP). Jede E-mail, jedes Digitalbild, jedes Musikstück wird in Häppchen gehackt auf vielen Wegen durchs Netz gepumpt. Erst kurz vor der Ankunft beim Empfänger werden die Stücke - wie im Gehirn - zusammengeführt.

Weite Teile des Gehirns arbeiten redundant. Menschen können ihre Intelligenz bewahren, nachdem sich eine Stange durch den Schädel gebohrt hatte. Auf ganz ähnliche Weise widersteht auch das Internet physischer Zerstörung. Es hat während der Anschläge im September 2002 auf verblüffende Weise seine Immunität gegen mechanische Einschnitte bewiesen.

Die wohl bedeutendste Eigenschaft des Gehirns ist jedoch die Plastizität. Das Geflecht der Nervenzellen ist kein starr verdrahtetes Netzwerk, das mit der Geburt angelegt und fortan mit Informationen gefüllt wird. Neuronen, vor allem der Großhirnrinde, sind bis ins hohe Alter fähig, ja geradezu süchtig danach, ständig neue Verknüpfungen einzugehen. Jeder elektrische Impuls, den eine Gedanke in die Nervenstränge des Gehirns trägt, lassen die Axone und Dendriten wuchern und neue Bindungen suchen.

Auf ähnliche Weise ist das Internet eine Netzwerk, dass seine Physis ständig den äußeren Anforderungen anpasst. Betreiber gefragter Webseiten müssen die Kapazitäten ihrer Leitungen erweitern, um das Nutzerinteresse bedienen zu können. Die beliebteste Suchmaschine, Google, sortiert ihre Trefferlisten unter anderem nach der Häufigkeit, mit der Webseiten verlinkt sind.  Das führt zu einer Selbstverstärkung. 

In seinem Buch: "Der Beobachter im Gehirn" schreibt der Frankfurter Hirnforscher Singer: "Denkbar ist geworden, künstliche Systeme zu konzipieren, die ähnlich unserer Gehirne einen Entwicklungs- und Lernprozess durchlaufen, sich vorwiegend selbst organisieren und auf diese Weise einen Komplexitätsgrad erreichen, der weit über das hinausgeht, was wir gegenwärtig planend strukturieren und analytisch durchdringen können. Solche Systeme wären dann in der Lage, ihre eigenen Erfahrungen zu machen und mit Initiativen aufzuwarten, die nicht mehr vom Konstrukteur antizipierbar sind. Schon jetzt sollten wir darüber nachdenken, wie wir mit solchen Systemen umgehen sollen".

Was der exzellente Hirnforscher nicht ausspricht: Ein solches, unkontrollierbares, selbstorganisierendes System existiert. Es ist das Internet. ... Möglicherweise wird der Mensch die eigene Gedankenwelt eines verselbständigten Datennetzes nicht einmal im Ansatz verstehen. Wie von einer fremdartigen, verwirrenden und doch intelligenten Masse wird die Menschheit umströmt sein. Ein seltsamer Daten-Ozean wird das sein, so wie ihn Stanislaw Lem in seinem Roman Solaris beschrieben hat. Ein verselbständigter, aber unkommunikativer, ja autistischer Ozean, ein den gesamten Planeten umwucherndes "Hirn-Meer".

Patrik Illinger - SZ 2./3. 8.2003 - Auszug

These von Thomas Metzinger (Philosoph - Universität Mainz):  

Das Ich hat keine Substanz sondern ist vielmehr nur ein nützliches Selbstmodell, das als Folge der Informationsverarbeitung im Gehirn entsteht. Das Ich ist eine Illusion.

Viele Aspekte unseres Erlebens sind Fiktionen. Zum Beispiel gibt es keine Farben in der Welt, sondern nur Mischungen von Wellenlängen. Aber die Modelle dieser Gegenstände, die in unserem Gehirn entstehen, werden im bewussten Erleben farbig dargestellt. Auf ähnliche Weise macht sich ein Mensch, ein Tier und vielleicht einmal ein künstliches System ein inneres Bild von sich selbst. Das besteht nicht nur aus Farben und Formen, sondern auch aus Bauchgefühlen, dem Gleichgewichtssinn, Gedanken und Erinnerungen. Und dem hartnäckigen Eindruck, dass es einen Kern gibt, etwas, das über die Zeit hinweg identisch bleibt. ... Dies hat den Zweck, sich in der äußeren Welt zu orientieren, mit anderen bewussten Wesen zu kommunizieren und Aufmerksamkeit und Denken auf sich selbst als ein Ganzes lenken zu können. Dem Modell entspricht keine seelische Substanz - es ist vielmehr eine geschickte Art, den Informationsfluss zu organisieren.

Die Seele hat keine beobachtbaren Eigenschaften. Der Begriff "Seele" kommt in der wissenschaftlichen Psychologie kaum noch vor. Denn es gibt einfachere und plausiblere Ideen für den dynamischen Mechanismus, mit dem wir die Sinneseindrücke zum Ich integrieren.

Das Selbstmodell hat verschiedene Schichten: Eine räumliche Schicht, die ein inneres Bild des Körpers und seiner Bewegungen erzeugt; damit können wir uns orientieren. Eine emotionale Schicht, die uns Gefühle und Bedürfnisse zu Bewusstsein bringt und danach handeln lässt. Eine kognitive Schicht, die es uns erlaubt, unsere Gedanken als unsere eigenen Gedanken zu erleben. Und eine soziale Schicht: Unsere Selbstmodelle passen sich immer auch an die Umgebung an. Sie werden also nicht nur durch das Gehirn festgelegt, sondern indirekt auch durch die Kultur, in der wir leben.

Manifest der deutschen Gehirnforscher

"Geist und Bewusstsein sind nicht vom Himmel gefallen, sondern haben sich in der Evolution der Nervensysteme allmählich herausgebildet"

Kommentierung in der Süddeutschen Zeitung vom 22.10.2004 von Martin Urban

"Selbstverständlich wissen die seriösen Neurowissenschaftler, dass sie weit entfernt davon sind, zu verstehen, nach welchen regeln das Gehirn arbeitet, wie es die Welt abbildet, dass unmittelbare Wahrnehmung und frühere Erfahrung miteinander verschmelzen. Unser Gehirn arbeitet mit hochkomplexen neuronalen Netzwerken. Die Forscher betrachten sie als hochdynamisch, nichtlineare Systeme, die zwar mehr oder minder einfachen Naturgesetzen gehorchen, aber auf Grund ihrer Komplexität völlig neue Eigenschaften hervorbringen. ...

Damit, dass man den Aufbau der Fugen von Johann Sebastian Bach versteht, verlieren diese nichts von ihrer Faszination, ihre einzigartige Schönheit kann man nicht erklären. Die seriösen Gehirnforscher wissen genau, dass sie ihre Grenzen überschreiten würden, wollen sie solcherart Erklärungen auf ihrem Felde auch nur versuchen."

Die Sinneseindrücke des Auges werden zunächst am Hinterkopf empfangen und verarbeitet. Vorne aber sitzt beim Menschen der "Homunkulus", vermutet Koch (California Institute of Technology - Pasadena). Mit diesem Begriff knüpfen sie an die Vorstellungen früherer Philosophen an, die ein kleines Männchen wähnten, das die "Maschine" Körper steuert und das eigentliche "Ich" darstellt. Der Homunkulus schaut aus dem vorderen Teil des Gehirns auf die überwiegend im hinteren Teil ankommenden Sinneseindrücke. Natürlich glauben die Forscher nicht an ein Männchen im wörtlichen Sinne sondern vermuten eine Art Zentrum im Gehirn. Doch bevor etwas bewusst wahrgenommen werden kann, müssen die einzelnen Aspekte eines Umweltreizes wie Farbe, Form oder Bewegung zu einer Gesamtwahrnehmung zusammengefügt werden. Diese Verbindung erfolgt über eine zeitliche Synchronisation der Nervenzellen, die die Aspekte in verschiedenen Arealen des Gehirns verarbeiten, sagt Wolf Singer (Max Planck - Institut - Frankfurt); er nennt die so verbundenen Neuronen-Ensembles "Koalitionen".

Auszug aus SZ - 5.8.2003 - von Drach

Mit keinem Organ treten wir auch nur annähernd so intensiv in Kontakt mit der Außenwelt wie mit der Darmschleimhaut. Entfaltet ergäbe sie eine Fläche von bis zu 400 Quadratmetern, kann also 200-mal so groß sein wie unsere äußere Hauthülle. Der Darm ist kein inneres Organ, sondern quasi eine eingestülpte Kontaktfläche zur Umwelt, in dem rund 70 Prozent der Immunzellen unseres Körpers lauern. Fresszellen in der Darmschleimhaut sorgen dafür, dass normalerweise keine Keime ins wirklich Innere des Körpers vordringen. Das Heer von etlichen Billionen von Bakterien im Darm spalten die Nahrungsbestandteile auf, die wir nicht oder nur sehr schwer verwerten können.

Der Darm ist jedoch weit mehr als nur ein Abflussrohr. Längst ist erwiesen, dass der Magen-Darm-Trakt unser seelisches Erleben mitsteuert (nervöser Magen oder Darm). Heute weiß man, dass er von hundert Millionen Nervenzellen umgeben ist. In der Darmwand sind sie zu zwei komplexen Geflechten verwoben. Das so genannte Darmhirn führt weit gehend ein Eigenleben, schon weil es entwicklungsgeschichtlich älter ist als die Schaltzentrale im Kopf. Nicht umsonst fällen Menschen viele Entscheidungen "aus dem Bauch heraus". Das "Bauchgefühl", unsere Intuition, weiß meist schon einige Zeit vor dem Hirn, was zu tun ist, auch wenn der Kopf sich noch verbissen mit kühlen Argumenten, Ausflüchten oder eingefleischten Schuldgefühlen dagegen wehrt,

SZ  - 20.5.2003 - Walter Schmid

Einen Baukasten mit nur 92 Elementen benötigt die Natur, um die komplexe Welt zu erschaffen. Diese Werkstoffe haben Sterne in ihrem Inneren erbrütet, dann bei ihrer Explosion ins Weltall versprüht, wo jüngere Sterne die Elemente weiter verarbeitet haben. Die erste Stern Generation kann direkt nach dem Urknall eigentlich nur aus Wasserstoff und Helium bestanden haben. Solche Urahnen der Sonne zu finden, ist eines der wichtigsten Ziele der Kosmologie.

Der amerikanische Astronom Hubble hat 1929 aus der Tatsache, dass sich das gesamte Spektrum des Sternenlichts in Richtung seines langwelligeren Teils verschiebt (Rotverschiebung) die geniale Schlussfolgerung gezogen, dass die Geschwindigkeit einer Galaxie direkt proportional zu ihrer Entfernung von der Erde sein müsse. Das Verhältnis von Fluchtgeschwindigkeit zum Abstand nennt man seither Hubble-Konstante. Je genauer man diese bestimmen kann, indem man kosmische Distanzen misst, desto genauer weiß man, wie lange die Welt bereits auseinander fliegt, wann also das Universum in einem Urknall entstanden ist. Bestätigt wurde diese Idee aber erst 1965, als eine weitgehend homogene "Hintergrundstrahlung" entdeckt wurde, die von allen Seiten die Erde beleuchtet, in Form von kaum noch wahrnehmbaren Mikrowellen der extrem niedrigen Temperatur von minus 270 Grad Celsius. Diese Strahlung ist ein Abglanz der Welt, rund 380 000 Jahre nach dem Urknall, als der zuvor trübe Himmel plötzlich aufklarte. So konnte sich dieses alte Licht auf den Weg in Richtung Erde machen. 1992 entdeckte man mit Hilfe des Satelliten Cobe, dass die Hintergrundstrahlung winzige Unregelmäßigkeiten aufweist.  Sie spiegeln die Schwankungen in der Verteilung der Materie wider, aus denen im Laufe der Zeit die Galaxien entstanden sind. Im Frühjahr 2003 hat die Nasa-Sonde Map das bisher genaueste Bild dieses uns umgebenden alten Himmels geliefert. Und damit lässt sich die Frage nach der Mitte der Welt erneut angehen. Vor 13,7 Milliarden Jahren kam es zu jenem Urknall; die Nasa Wissenschaftler behaupten, man wisse dies nun auf ein Prozent genau. Dem widerspricht  der Kosmologe Gerhard Börner vom Max-Planck-Institut. Zwar seien die Map-Messungen tatsächlich extrem genau. Doch hätten die US-Forscher sich auch auf den vorher bereits bestimmten Wert der Hubble-Konstanten verlassen müssen; und den kenne man so genau eben nicht. Börner rechnet mit zehn Prozent Ungenauigkeit, so dass das Universum 12 bis 15 Milliarden Jahre alt ist.  Etwa zur Halbzeit, in der Mitte der seit dem Urknall bis heute vergangenen Zeit, vor rund 7 Milliarden Jahren, ist das Sonnensystem in der Milchstraße entstanden, in dem der Mensch zu Hause ist.

Würde man die Geschichte des Universums im Film rückwärts verfolgen, dann zöge sich die Welt zusammen, aber es gäbe dabei keinen Punkt, keine Mitte, auf die hin sie sich zusammenzieht. So gesehen, läuft alles also wieder auf das hinaus, was die alten Griechen behaupteten- und was jeder von uns instinktiv zu spüren meint: Wo wir sind ist die Mitte. Denn auf einer Kugeloberfläche ist jeder Punkt in der Mitte. Freilich ist die Kugel des Universums unendlich groß und das Universum, die Kugeloberfläche, damit praktisch flach. Krümmungen, welche die Schwerkraft - wie wir dank Albert Einstein wissen - dem Raum zufügt, werden durch die darin waltenden Kräfte ausgeglichen.

 Martin Urban in der SZ 14./15.Juni 2003

Dunkle Energie und dunkle Materie

Reise zum Anfang der Welt

Die Rolle der Dunklen Energie und der Dunklen Materie im Kosmos 

Von Gerhard Börner (Kosmologe am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München) Quelle: SZ vom 3.3.2004

"Heutzutage sind sich fast alle Kosmologen einig, dass das ¸¸Urknallmodell" - wie es Sir Fred Hoyle etwas abfällig bezeichnet hatte - einen akzeptablen Rahmen für die Theorie des Kosmos darstellt. Die Geschichte begann vor 14 Milliarden Jahren: Die kosmische Materie und Strahlung bildete sich aus einem nahezu strukturlosen, heißen und dichten Frühzustand heraus. Als sich das Universum infolge der Expansion abkühlte, entstanden im heißen Urbrei erste Strukturen. Etwa 400 000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum noch 3000 Kelvin (etwa 2700 Grad Celsius) heiß war, bildeten sich die ersten Atome. In dieser Epoche wurde das Universum durchsichtig, die Strahlung konnte sich nun ungehindert ausbreiten. Rasch dehnte sich das Universum weiter aus, kleine, anfängliche Störungen entwickelten sich aufgrund ihrer Eigengravitation zu Galaxien und Galaxienhaufen. Diese Ideen lassen sich in Modellen präzisieren, die Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erfüllen. Die astronomischen Beobachtungen passen erstaunlich gut zu diesen Modellen.

Alle fernen Galaxien bewegen sich anscheinend von uns weg, daraus schließen Astronomen, dass sich das Weltall ausdehnt. Um zu erfahren, wie dies passiert, bestimmen die Forscher Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit geeigneter Objekte. In den vergangenen Jahren hat ein neuer Versuch, kosmische Entfernungen zu bestimmen, deutlich genauere Messungen ermöglicht. Hierbei macht man sich die enorme Leuchtkraft bestimmter Typen von Sternexplosionen zu Nutze, der Supernovae vom Typ Ia.

Der Stern, der dort zerbirst, hat wahrscheinlich eine lange Entwicklungszeit hinter sich. Sein Wasserstoffvorrat ist verbraucht, er besteht im Wesentlichen aus Helium und Kohlenstoff. Vermutlich handelt es sich um einen ¸¸Weißen Zwerg" mit dem Radius der Erde und der Masse der Sonne. Die Leuchtkraft der Supernova steigt rasch an, erreicht innerhalb von Stunden ein Maximum und fällt dann wieder ab. Aus Maximum und Abfall der Lichtkurve lässt sich die Leuchtkraft genau bestimmen.

So können die Kosmologen die Ausdehnungsbewegung nahezu perfekt bestimmen. So finden sie heraus, dass die heute beobachtete Expansion vor etwa 14 Milliarden Jahren begonnen hat. Damals waren alle Galaxien, die wir jetzt sehen, eng zusammen. Das Universum muss völlig anders als heute ausgesehen haben. Die Forscher erkennen außerdem, dass sich das Universum nicht überall gleichförmig ausgedehnt hat. Diese Abweichungen werden als Beschleunigung der kosmischen Ausdehnung interpretiert. Bezogen auf die Urknallmodelle bedeutet dies, dass nicht allein die im Universum vorhandene Masse die Expansion beeinflusst, sondern dass es auf kosmische Entfernungen eine Art abstoßende Schwerkraft geben muss.

Die Bilanz der kosmischen Energie und Materiedichte wirkt damit recht merkwürdig. Hinzu kommt nämlich, dass viele Beobachtungen an Galaxien und Galaxienhaufen und generell die Theorie der Galaxienbildung nur verständlich erscheinen, wenn man eine nicht leuchtende, dunkle Materie in die Berechnungen einführt. Diese Materie muss ganz anders sein als die, aus der auch wir bestehen. Noch fehlt jedoch ein direkter experimenteller Nachweis auch nur eines Elementarteilchens, das als Kandidat für die dunkle Materie gelten könnte.

Das ungute Gefühl, das einen beim Umgang mit all diesen unbekannten Formen kosmischen Stoffs überkommen mag, wird etwas gemildert, wenn man in der kosmischen Mikrowellenstrahlung experimentelle Hinweise auf dunkle Materie und Energie findet. Arno Penzias und Robert Wilson hatten sie im Jahre 1964 entdeckt: eine Wärmestrahlung von 2,73 Kelvin (also etwa minus 270 Grad Celsius), die aus der Frühzeit des Universums zu uns kommt. Mit dem Nasa-Satelliten WMAP wird derzeit der Himmel im Mikrowellenbereich durchforscht. Die Astronomen sind begeistert, bekommen sie doch so ein Bild des Universums in seiner ¸¸Babyzeit".

Kleine Temperaturschwankungen in verschiedenen Himmelsrichtungen hat man bereits registriert. Kosmologen interpretieren diese als Keime späterer Galaxien. Faszinierend ist die Tatsache, dass aus diesen Schwankungen praktisch alle Eigenschaften unseres Universums herausgelesen werden können. Insbesondere gibt dieses kosmische Buch genaue Auskunft über die Massen- und Energiebilanz. Das Universum besteht lediglich zu etwa fünf Prozent aus normaler Materie und zu 23 Prozent aus der unbekannten dunklen Materie. Die Deckungslücke von 72 Prozent muss durch die dunkle Energie, die ¸¸Anti-Schwerkraft" ausgeglichen werden. Die Vermutungen der Kosmologen werden also präzise bestätigt. Das ist einerseits sehr erfreulich, andererseits bleibt noch einiges zu tun, um die Natur dieser unbekannten Komponenten des kosmischen Stoffes aufzuklären.

Die Natur der geklumpten dunklen Materie kennen die Physiker noch nicht, doch es sind etliche Experimente im Gange und im Aufbau, die in wenigen Jahren ein Elementarteilchen als Kandidaten dafür aufzeigen könnten.

Äußerst geheimnisvoll bleibt allerdings die dunkle Energie, deren Natur nicht einfach zu entschlüsseln sein wird. Die Quantentheorie könnte zwar eine Deutung dieser Größe als Energie des Vakuums liefern. Immerhin kann der leere Raum, quantentheoretisch betrachtet, einiges an Energie enthalten. Doch wenn Theoretiker beginnen, die dunkle Energie auf diese Weise abzuschätzen, erhalten sie einen Wert, der zum Beispiel die WMAP-Daten um unvorstellbare 108 Größenordnungen übertrifft. Andere Beiträge, die (noch) nicht berechnet werden können, würden diesen Wert vielleicht ausbalancieren. Aber es ist ein ungelöstes Rätsel der Quantenphysik, wie das gelingen könnte. Astronomische Beobachtungen zeigen hier ein tiefes Problem der Elementarteilchentheorie auf. Schöner und interessanter kann die Verbindung von Quantenphysik und Kosmologie nicht sein.

Der australische Astronom Driver berichtete auf der Konferenz der Internationalen Astronomischen Union in Sydny, dass allein die erfassbare, derzeit mit Teleskopen zu erspähende, Sternenzahl 70 000 Millionen Millionen Millionen betrage. Das sind 70 Trilliarden oder ausgeschrieben eine 7 mit 22 Nullen.

Obwohl es unvorstellbar viele Sterne gibt, gibt es unvorstellbar wenig Platz im All, wo Leben entstehen, geschweige denn überdauern kann. Hierfür braucht es nämlich eine exakt abgestimmte Wärmequelle: Eine Sonne, genau jene, die mittags über unseren Köpfen scheint. Sie bietet eine faszinierende Balance zwischen Leuchtkraft und Lebensdauer. Sie brennt so lange , dass Atome und Moleküle auf der Erde Zeit finden, sich zu komplexen organischen Verbindungen zu kombinieren. Und sie ist kühl genug, um nicht jedes Tröpfchen Leben spendenen Wassers sofort zu verdampfen oder gar zu atomisieren.

Doch diese schmale Gleichgewicht ist nur ein zartes Bändchen zwischen zu heiß und kalt. Wäre der Abstand von der Erde zur Sonne nur zwei Prozent kleiner oder größer, so wäre Leben ausgeschlossen. Auf der Venus, dem nächsten Planeten in Richtung Sonne, ist es 450 Grad heiß, und 90 Atmosphären Überdruck machen jeden Ansatz von Leben zur Hölle.

97 Prozent aller Sterne im All sind wesentlich kleiner als die Sonne. Davon sind die meisten auch kälter und geben nur lauwarmes Infrarotlicht ab, aber fast keine sichtbare oder ultraviolette Strahlung. Die Lichtquanten dieser Gestirne sind daher kaum in der Lage Molekülverbindungen zu spalten, was für die Evolution der Lebensbausteine von grundlegender Bedeutung ist.

Andere der kleinen Sterne sind zwar heiß, haben aber nur wenig Leuchtkraft. Lebensfähige Planeten müssten daher auf engen Bahnen um das Zentralgestirn kreisen, um ausreichend Energie zu tanken. Die Gesetze der Drehimpulserhaltung sorgen jedoch dafür, dass Begleiter auf engen Bahnen ihre Eigendrehung mit der Umlaufgeschwindigkeit um das Zentralgestirn synchronisieren. Das ist auch der Grund, warum der Mond immer dieselbe Seite zur Erde wendet. Ein Planet, der jedoch, der nur von einer Seite beschienen wird, ist ein unwirtlicher Ort. ... An der Grenze zwischen Hell und Dunkel müssten Winde blasen, gegen die irdische Orkane und Tornados wie sanfte Brisen wirken würden.

Größere Sterne als die Sonne verstrahlen mehr Wärme, brennen dabei allerdings so schnell aus, das Moleküle in der Umgebung keine Zeit finden, sich zu verketten oder Organismen mit Erbgut und Stoffwechsel zu bauen. Berits eine Stern, de doppelt so schwer ist wie die Sonne, überdauert nur ein Zehntel der Zeit.

Unsere Sonne bietet den idealen Ort im Kosmos für jene außerordentliche physikalische-chemische-biologische Eskapad, die sich Leben nennt. In der Klassifikation de Astronomen gehört sie gemäß ihrer Leuchtkraft und Temperatur zu den G-Sternen.  Es müssen zudem Sterne aus der zweiten oder dritten Generation sein. Das heißt, Sterne, die sich aus den Staubresten ausgebrannter Vorgänger zusammen klumpen. Nur in der Asche ehemaliger Sterne finden sich schwere chemische Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Magnesium und Eisen, die nicht nur die Landmassen der Erde formen, sondern auch zentrale Elemente der Eiweißmoleküle lebender Organismen sind.

Patrick Illinger in der SZ  vom 22. 7. 2003

siehe auch
Johann von Lamont
(1805-1879) begraben auf dem Bogenhausener Friedhof

String - Theorie

Kosmische Symphonie

von Ulrich Schnabel in der ZEIT (2000) - Auszüge-

Auf der Bühne ist Brian Greene in seinem Element. ... Mit eindringlicher Stimme
umreißt er das jahrhundertealte Drama der Physik: die Suche nach der
grundlegendsten aller Theorien, der "Weltformel".  ...
Greene verheißt ein Happy End: "Zum ersten Mal haben wir die Chance,
eine Theorie zu finden, die das gesamte Universum,
vom kleinsten subatomaren Teilchen
bis zum größten Galaxienhaufen, mit einer grundlegenden Idee beschreibt."

Der 37-jährige Professor für Physik und Mathematik ist der eloquenteste Vertreter
der so genannten String-Theorie, an der weltweit über tausend Forscher arbeiten.
Sie alle glauben, das Tor zum gelobten Land der Physik gefunden zu haben.

Anders als Stephen Hawking verzichtet Greene allerdings völlig auf metaphysischen
Beiklang. Während der gelähmte britische Astrophysiker raunte,
"Gottes Plan" entziffern zu wollen, bekennt der String-Theoretiker bescheiden:
"Gott ins Spiel zu bringen ist wohl
eine gute Verkaufsmasche, aber wenn man ehrlich ist,
hat die Physik nichts über Gott oder seine Existenz zu sagen."

Manche würden freilich einwenden, dass die String-Theorie selbst schon
mystisch genug ist.
Behauptet sie doch, die Bauelemente des Kosmos
seien winzige Fädchen aus Energie,
die wie Saiten (strings) unaufhörlich vibrieren. Aus deren Schwingungen,
gleichsam ihren "Tönen",
bestehen laut String-Theorie sowohl alle bekannten Elementarteilchen
wie auch die physikalischen Kräfte.
"Wie eine riesige Äolsharfe", schwärmt Greene, "bringen die strings
das Universum zum Klingen."

Dieses poetische Bild hat nur einen Schönheitsfehler:
Bislang beruht es auf purer Theorie,
nichts davon ist experimentell bewiesen. Denn die strings sind so winzig,
dass zu ihrem Nachweis ein Teilchenbeschleuniger von
der Größe der Milchstraße nötig wäre. Kritikern gilt die String-Theorie
daher als Paradebeispiel einer "ironischen Wissenschaft",
deren Aussagen nie nachprüfbar sind.
Der Physik-Nobelpreisträger Sheldon Glashow wetterte gar,
den String-Forschern dürfe man nicht
erlauben, "jungen Studenten den Kopf zu verdrehen".
Die Theorie der vibrierenden Fädchen sei
mit mittelalterlicher Theologie vergleichbar,
und die Frage, wie die hypothetischen strings
die Musik des Kosmos erzeugten,
von ähnlicher Güte wie die nach der Zahl der Engel,
die auf einer Nadelspitze Platz finden.

... "Aber all seine harschen Urteile hat Glashow in den achtziger Jahren getroffen,
und inzwischen hat es in der String-Theorie so bedeutende Fortschritte gegeben,
dass selbst er sanfter geworden ist."

Zu diesem Sinneswandel hat möglicherweise die Tatsache beigetragen, dass
die Physiker derzeit kaum eine Alternative zur String-Theorie sehen.
Denn nach wie vor stehen die beiden großen physikalischen Gedankengebäude
unverbunden nebeneinander: Albert Einsteins Relativitätstheorie beschreibt
die großen Strukturen im Universum, Sterne, Galaxien oder schwarze Löcher;
für Moleküle, Atome und Elementarteilchen dagegen gilt die Quantenmechanik.
Beide Theorien stimmen in ihren Bereichen exakt mit Beobachtungen überein.
Doch der Versuch, sie zu kombinieren, führt zu haarsträubenden Ergebnissen.
Ergo können sie nicht völlig richtig sein. Da kommt die Vorstellung
der schwingenden Saiten wie gerufen. Denn sie versöhnt zwanglos
Quantenmechanik und Relativitätstheorie: Mit ihr lässt sich sowohl
das Verhalten der Elementarteilchen erklären, als auch eine Beschreibung
für die im Großen wirkende Gravitation formulieren - wenigstens im Prinzip.

Mitunter führt dieses Vorgehen zu bizarren Konsequenzen.
So funktioniert der mathematische String-Formalismus nur,
wenn neben unseren bekannten drei Raumdimensionen
noch weitere sieben Dimensionen
existieren, in denen die Kosmos-Saiten schwingen können. Warum gerade sieben? "
Das ist die Milliarden-Dollar-Frage", lacht Greene. "Wären es weniger Dimensionen,
würde die Theorie logisch inkosistent."

Inzwischen hat Greene sogar ein eingängiges Bild für
diese "wildeste Idee der String-Theorie"
gefunden. Um sie zu verdeutlichen, hält er ein Stück Schnur zwischen zwei Fingern.
"Von weitem betrachtet, sieht dies nach einem eindimensionalen Objekt aus:
Eine Ameise scheint sich auf der Schnur nur von links nach rechts bewegen zu können."
Erst bei näherer Betrachtung erkennt man eine weitere Dimension:
Die Schnur hat auch eine Dicke, und der Ameise steht damit
eine weitere Richtung offen.

Ähnlich, meint Greene, könnten in der realen Welt zusätzliche Raumdimensionen
so "eingerollt" sein, dass sie bislang unserer Aufmerksamkeit entgingen.
"Manche Leute glauben, dass diese Zusatzdimensionen
so groß wie ein Millimeter sind - und versuchen,
das experimentell zu überprüfen", beugt Greene dem Vorwurf der reinen Esoterik vor.

... "Ich glaube zwar, dass die String-Theorie einmal in der Lage sein kann,
die fundamentalen physikalischen Gesetze zu beschreiben. Das heißt aber nicht,
dass die Theorie die Biologie des Lebens oder Bewusstsein erklären kann.
Dafür brauchen wir nach wie vor alle anderen Disziplinen."
...

Eines jedenfalls ist ihm schon gelungen: Mit seiner Vision von
der Eleganz der Fädchen-Symphonie hat Brian Greene seiner Zunft
die beste Werbung verschafft, die sich String-Theoretiker nur wünschen können.