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Jungforscher auf Walexpedition

22/01/2020Young Science2019-1, IssuesAzoren, Delfin, Pico, Pilotwal, Pottwal, RissodelfinKommentare deaktiviert

Mitte Juni durfte ich auf eine Expeditionsreise auf die
Azoren fahren. Organisiert wurde dies durch Master Mint,
das Forschungsprogramm des deutschen Instituts für
Jugendmanagement (IJM). Während der Expedition sahen wir
verschiedenste Wal- und Delfinarten. Eines der Highlights war
die Sichtung der Blauwale. Doch in diesen zwei Wochen betrieben
wir nicht nur fleißig Wal- und Delfinforschung. Mithilfe
vieler Befragungen versuchten wir, die Kultur und Lebensweise
der Insulaner und ihre Einstellung zum Walfang kennen zu
lernen. Diese zwei Wochen waren ein gewaltiges Abenteuer.

Abbildung 1 22 Jungforscher auf der Azoreninsel Pico. Foto: Gero Schäfer

Endlich war es so weit: Am 20. Juni 2016 landeten 22 JungforscherInnen aus Deutschland und Österreich zusammen mit zwei BetreuerInnen auf der Azoreninsel Pico, bereit, alles zu erforschen, was uns vor die Nase kam Abb. 1). Doch zuvor war einiges an Planung nötig gewesen.

Reisevorbereitung
Im Dezember erfuhr ich durch meine Lehrerin Angelika Kragl, dass das Forschungsprogramm Master Mint diverse Forschungsexpeditionen in ganz unterschiedliche Gebiete dieser Welt anbietet. Schnell war klar, dass ich mich für die Azorenreise mit Schwerpunkt Wal- und Delfinforschung bewerben würde, denn Delfine faszinierten mich schon immer – und dies war die Chance, sie richtig kennenzulernen. Als kurz darauf die positive
Rückmeldung kam, gab es nur noch eine Frage: Woher bekomme ich fast 3000 € für diese Reise?
Wie auch bei anderen Forschungsreisen war es Aufgabe der TeilnehmerInnen, so viele Sponsoren wie möglich zu finden, um die Reisekosten stemmen zu können. Dank vieler großzügiger SpenderInnen (Angelika Kragl, Ulrike Wurzinger, Elternverein BRG Landwied, Sterkl, Schörkhuber & Partner ZT GmbH, österreichischer Alpenverein Kirchberg Thening, Land Oberösterreich und BMWFW) hatte ich bald genug Geld
beisammen und konnte fix zusagen. Nachdem auch die letzten Vorbereitungen, wie die Prüfung zum Rettungsschwimmer und ein ärztliches Attest für den Tauchschein, eingetroffen waren, konnte es
endlich losgehen.

Die Reise beginnt
Zuerst ging es zur IJM-Geschäftsstelle nach Heidelberg, wo sich die TeilnehmerInnen erst einmal kennenlernten. Dann bekamen wir Instruktionen. Einer der ersten Sätze war „Forschung geht vor Schlaf“ – das
sollten wir noch oft zu spüren bekommen, denn es gab vielleicht zwei Tage auf dieser Reise, an denen wir vor 1 Uhr in der Früh ins Bett gingen. Auch an diesem ersten Sonntag in Heidelberg wurde es spät. Nach dem informativen Teil begann das Arbeiten. Dazu wurden wir in fünf unterschiedliche Gruppen aufgeteilt: Wale & Delfine, Mensch, Kultur & Sprache, Fauna & Flora, Klima & Vulkanismus, Wirtschaft & Infrastruktur.

Das war das Einzige, das vorgegeben wurde. Alles andere erarbeiteten wir uns selbst. Um möglichst schnell möglichst viele gute Ideen zu bekommen, machten wir zuerst ein Brainstorming in unserer Gruppe und überlegten dann auch noch, ob uns etwas für die anderen einfällt. Damit alle auf dem gleichen Stand waren, wurden die Ergebnisse danach vorgestellt, sortiert und als richtige Aufgabenstellungen aufgeschrieben. An diesem Tag starteten wir mit der Ausformulierung der Zielsetzung, die wir danach gleich vorstellten.
Nach zwei Stunden Schlaf ging es mit dem Bus nach Frankfurt und weiter per Flugzeug nach Lissabon. Dort arbeiteten wir
während des sechsstündigen Aufenthalts weiter in unseren Gruppen, nun wurde die genaue Arbeitsweise der einzelnen Gruppen ausgearbeitet und protokolliert.

Erste Sichtungen
Nach der Ankunft auf der Azoreninsel Pico, kurzer Besichtigung der Zimmer und einem guten Abendessen ging es an diesem Tag noch einmal früh ins Bett. Am Morgen des nächsten Tages regnete es, trotzdem war ich
mit meiner Gruppe noch vor dem Frühstück draußen, um die ersten Pflanzen und Tiere zu fotografieren, die wir am Abend in unserer
Dokumentation beschreiben wollten. Nach dem Frühstück fuhren wir nach Lajes, einem Ort auf der Südseite der Insel, um von dort die erste Ausfahrt auf das Meer zu machen: Drei Stunden lang beobachteten wir Wale und Delfine. Nach einer zweistündigen Mittagspause, während der wir wieder fleißig Pflanzen und Tiere suchten, startete gleich die zweite Ausfahrt. Wir hatten Glück und konnten bereits an unserem ersten Tag jeweils einen Pottwal (Abb. 2) und einen Finnwal beobachten. Außerdem sichteten
wir Rissodelfine (Abb. 3), Gemeine Delfine (Abb. 4), Streifendelfine und Pilotwale, eine weitere Delfinart.

Abbildung 2 Ruhender Pottwal / © André Brandt

Abbildung 3 Rissodelfin / © Roland Edler

Abbildung 4 Springender gemeiner Delfin / © Max Neitzel

Eindrücke der Sichtungen
Obwohl wir jeden Tag viele verschiedene Wal- und Delfinarten sahen, war doch jede Sichtung etwas Besonderes und Einzigartiges. Da gab es Delfinschulen mit fünfzig und mehr Tieren zu sehen, die neben uns ruhig schwammen oder auf der Oberfläche ruhten. Pottwale, die neugierig
bis auf einige Meter an unser Boot kamen, um dann nach langem Beobachten und Nebenherschwimmen in die Tiefe zu entschwinden. Eine große Gruppe von gemeinen Delfinen, die mit ihren Jungtieren um und unter unserem Boot schwammen und neugierig zur Kamera kamen. Außerdem sahen wir einen Rissodelfin, der trotz nicht vorhandener Rückenflosse – man sah nur mehr die Narben – gelernt hatte, zurecht zu kommen. Ein unbeschreibliches Erlebnis waren auch die drei Seiwale, die sich durch uns nicht stören ließen. Die Schnabelwale beeindruckten uns ebenfalls sehr (Abb. 5). Einmal warteten wir fast eine Stunde auf ein weiteres Erscheinen dieser interessanten Tiere. Außerdem machten wir Unterwasseraufnahmen von True – Zweizahnschnabelwalen. Diese Aufnahmen sind womöglich die ersten mit Jungtier.

Abbildung 5 Sowerby-Zweizahnschnabelwal / © Roland Edler

Arbeitsweisen auf dem Boot
Während der Sichtungen dokumentierte die jeweilige Wal- & Delfin-Gruppe alle möglichen Daten. Wenn es möglich war, maßen wir die Geschwindigkeit der Tiere, indem wir neben den Tieren mit gleichem Tempo fuhren und die Geschwindigkeit am GPS-Gerät ablasen. Ebenfalls
wurde mit diesem Gerät der Standort bestimmt. Des Weiteren wurden Artname, Aussehen, Gruppengröße, besondere Merkmale und Atemfrequenzen notiert. Die Artnamen wussten wir entweder schon vorher oder wir bekamen Hilfe von unserem Delfin- und Walexperten Roland Edler. Für die Atemfrequenz maßen wir mithilfe einer Stoppuhr die Zeit, die die Tiere unter Wasser blieben. Mit diesen Daten konnten wir unter anderem feststellen, dass vor allem die Wale ein paar Mal hintereinander kurz untertauchen, um dann einen längeren Tieftauchgang zu starten.

Arbeit nach den Ausfahrten
Nach den Ausfahrten ging es nach Hause und nach einer kurzen Duschpause zum Abendessen. Danach fing die meiste Arbeit an, denn jetzt galt es, die Forschungsergebnisse auszuwerten und zu dokumentieren. Außerdem stellten wir noch eine PowerPoint Präsentation über unsere Ergebnisse des Tages zusammen. Nach der Präsentation wurden die Gruppen für den nächsten Tag eingeteilt. Bis wir ins Bett kamen, war es meist halb eins. Um halb acht begann dann der nächste Forschungstag.

Arbeitsweise und Ergebnisse
In den nächsten Tagen ging vieles einfacher und schneller, weil wir die Arbeitsabläufe schon kannten. Innerhalb der anderen drei Gruppen (Mensch, Kultur & Sprache; Klima & Vulkanismus; Wirtschaft & Infrastruktur) mussten wir vor allem Befragungen zu den verschiedenen Themen durchführen. Doch es war gar nicht so leicht, genügend Leute zu finden, die Englisch sprachen, Zeit hatten und bereit waren zu antworten. Dennoch bekamen wir sehr interessante Antworten. So sagte zum Beispiel ein Einwohner Picos zu der Frage, was er von dem Verbot des Walfangs halte: „Früher war der Walfang fair, denn mit den kleinen Booten und nur mit Speeren bewaffnet war es eine 50/50 Chance, ob der Mensch oder der Wal gewinnt, doch jetzt mit den großen Waffen ist es nicht mehr fair.“ Die meisten der Befragten sprachen sich gegen den Walfang aus.

Die Gruppe Klima & Vulkanismus war nicht nur für Befragungen zuständig, sondern musste außerdem Informationen über den Vulkan Pico (Abb. 6) herausfinden. Außerdem maß diese Gruppe mit einem speziellen Gerät die Wassertemperatur, den pH–Wert und den Salzgehalt des Meerwassers. Mit
diesen Messergebnissen und Vergleichen mit den Ergebnissen von 2015 fanden wir heraus, dass der pH–Wert von 8 auf 8,4 gestiegen ist. Dies steht im Gegensatz zur allgemeinen Veränderung. Global gesehen werden die Meere immer weniger basisch (der pH-Wert nähert sich immer mehr dem Wert 7 an). Dies hat erhebliche Folgen auf die Umwelt, so leiden zum Beispiel die Korallen sehr unter den veränderten Bedingungen.

Abbildung 6 Der Vulkan Pico / © André Brandt

Das Highlight – der Blauwal
Der Blauwal, das größte Säugetier der Welt, war ein fantastischer Anblick. Zwei Mal hatten wir das Glück, Blauwale zu sehen, und beide Male war es genial. Plötzlich wurde es ganz leise im Boot; jeder war fasziniert von diesen riesigen Tieren. Nur durch die Durchsage der Atemzeiten wurde die Stille durchbrochen. Das erste Mal, als wir Blauwale sahen, waren sie ungefähr 100 m entfernt. Es war eine etwa 30 m große Kuh, was selbst für einen Blauwal sehr groß ist, mit ihrem Kalb. Ohne sich einschüchtern zu lassen, schwammen sie ruhig vor uns her, immer wieder auf- und abtauchend. Das zweite Mal begegneten uns ein Blauwalweibchen, 26 m, und ein Bulle, 22 m groß. Diesmal waren sie ca. acht Meter vom Boot entfernt (Abb. 7). Uninteressiert schwammen sie vor dem Boot, tauchten lang unter, um dann plötzlich zehn Meter weiter vorne wiederaufzutauchen. Zweimal hob ein Tier plötzlich eine der Seitenflossen
hoch, um sie dann mit einem lauten Klatscher wieder ins Wasser fallen zu lassen. Wir verbrachten über eine Stunde bei diesen zwei Tieren.

Abbildung 7 Blauwal / © Roland Edler

Delfinschwimmen
Der zweite Höhepunkt war eindeutig das Schwimmen mit den Delfinen. Dabei muss man Glück haben, denn die Delfine kommen normalerweise nicht zum Menschen, sondern schwimmen eher weg. Trotzdem sah ich bei einem solchen Schwimmausflug, wie auf einmal sieben Meter vor mir drei
Rissodelfine durchs Wasser glitten. Ein wunderschöner Augenblick (Abb. 8). Doch wir schwammen nicht nur mit Delfinen: Zwei Teilnehmer hatten das Glück, dem zwei Meter hohen Mondfisch zu begegnen.

Abbildung 8 Jungforscherin mit Delfinen / © André Brandt

Der wissenschaftliche Aspekt unserer Reise
Das IJM bietet solche Expeditionen an, um Jugendlichen die Welt des Forschens näher zu bringen. Das Motto lautet: „Wissen ist Zukunft, die Spaß macht“. Diese Reisen haben aber auch einen wissenschaftlichen Hintergrund. So wurden auf einer Azorenreise vor ein paar Jahren die ersten Unterwasseraufnahmen von True-Zweizahnschnabelwalen gemacht.
Sollten wir Glück gehabt haben, sind uns das erste Mal Kälber dieser Art vor die Linse geschwommen. Dies wird noch in einem schottischen Institut überprüft.

Bedanken möchte ich mich nochmals bei all meinen Förderern, ohne die diese Reise nicht möglich gewesen wäre, dass sie mich unterstützt und gezeigt haben, wie wichtig ihnen Jugendforschung ist. Zudem möchte ich mich bei Direktor Robert Michelic, bei meinen LehrerInnen Angelika Kragl, Ulrike Wurzinger, und Franz Schöppl, und bei der Elternvereinsobfrau Michaela Kritzinger für ihre großartige Unterstützung bedanken.

Editorial 2019

13/09/2019Young Science2019-1Kommentare deaktiviert

Prof. Dr. Uwe K. Simon

Fragen wie diese sind auch von WissenschaftlerInnen nicht immer leicht zu beantworten. Ja, manchmal gibt es sogar heftige Kontroversen zu solchen Fragen und verschiedene, einander widersprechende Positionen und Theorien. „Streit“ ist in der Wissenschaft aber nicht selten ein Motor für Erkenntnisfortschritt. Kontroversen zu strittigen Fragen lassen oft neues Wissen entstehen. Wissenschaftliche Texte präsentieren ebenfalls nicht nur gesichertes Wissen, sondern diskutieren auch ungeklärte Fragen. Genau das geschieht in den Artikeln dieser Ausgabe. Sie sind mehrheitlich aus einem Sparkling-Science Projekt hervorgegangen, das an der Universität Graz (Fachdidaktikzentrum GEWI) in Zusammenarbeit mit mehreren Grazer Schulen durchgeführt wurde. In diesem Forschungsprojekt haben sich die jungen AutorInnen im Unterricht und im Rahmen einer Summerschool an der Universität mit ungeklärten Fragen in der Naturwissenschaft beschäftigt.
So schreiben Sandra Hirner und Sandra Salama (BRG Dreihackengasse, Graz) zu Homöopathie, während Lukas Ullrich, Emil Götz und Pascal Fina (BRG Keplerstraße, Graz) der Frage nach dem Ursprung des Lebens auf der Erde nachgehen. Sind wir alleine im Universum? Das diskutieren Jana Rabofsky und Maja Jaritz (Modellschule Graz). Janez Rotman und Lukas Ullrich (BRG Kepler, Graz) setzen sich mit dem Anfang und Ende von allem auseinander. Aber nicht nur die Weite des Alls gibt der Forschung Rätsel auf.
Auch Dinge, die uns jeden Tag im Alltag begegnen, werden in der Wissenschaft kontrovers diskutiert. Naana Appiah und Zeinab Orabi (BRG Keplerstraße, Graz) recherchierten darüber, warum wir träumen; David Girgis und Benjamin Cartellieri (BRG Kepler, Graz) fragten sich, warum Affen nicht sprechen können. Und warum heißes Wasser (oft) schneller gefriert als kaltes, erläutern Harald Pfeiler, Arnold Pramberger und Andreas Riad (BRG Keplerstraße, Graz).
Schließlich geht es noch um brandaktuelle medizinische Themen: Emil Götz und Florian Peukert (BRG Keplerstraße, Graz) informieren über Impfungen, Ana Vidovic (BRG Dreihackengasse, Graz) und Jana A. Kainz (BRG Kepler, Graz) stellen vor, welche Auswirkungen Chemotherapien in der Schwangerschaft auf das ungeborene Kind haben (können).
Hinzu kommen noch zwei Artikel, die nicht in diesem Projekt entstanden sind: Stefan Dirschl vom BRG Landwied aus Linz berichtet von einer Azorenexpedition, an der er selber teilnahm. Sophia Häussler vom Schönbuch-Gymnasium in Holzgerlingen und Clara Deifel vom Otto-Hahn-Gymnasium in Ostfildern (beide Deutschland) erkunden, was es mit Altpapier auf sich hat.

Also wieder eine Menge Lesestoff in dieser Ausgabe. Wir bedanken uns bei allen AutorInnen, ihrem Engagement und Interesse sowie ihrer Bereitschaft, diese Artikel zu verfassen. Wir bedanken uns aber auch bei den Lehrkräften und den SchulleiterInnen, die uns und ihre SchülerInnen unterstützt haben. Schließlich gebührt großer Dank allen, die uns mit Sponsoring oder Inseraten finanziell zur Seite stehen.

Umweltschutz kann jede/r — Recyclingpapier

13/09/2019Young Science2019-1, FeaturedPapier, Recycling, Recyclingpapier, Umweltschutz, UmweltsiegelKommentare deaktiviert

Papier. Wir benötigen es zum Schreiben, Zeichnen, Bedrucken und vielem mehr. Allein Deutschland verbraucht mit 250 kg pro Kopf und pro Jahr so viel Papier wie Afrika und Südamerika zusammen ^[1].

Dafür ist Deutschland aber auch Meister im Altpapiersammeln: Gute 70 % des verbrauchten Papiers wurden 2009 wieder als Altpapier gesammelt. Davon sind 80 % Recyclingpapier. Das liegt vor allem daran, dass Verpackungen und Zeitungen fast zu 100 % aus Recyclingpapier bestehen ^[2]. Graphisches Papier oder Druckerpapier, das in unserem Hausmüll landet, wird dagegen zu 50 % aus frischen Holzfasern hergestellt ^[2].

Warum benutzen wir nicht mehr Recyclingpapier?
Das liegt unter anderem daran, dass viele Menschen nicht wissen, wo die Vorteile von Recyclingpapier liegen. Dazu muss man sich die unterschiedlichen Herstellungsprozesse von Recycling- und Frischfaserpapier anschauen.

Wie wird Recyclingpaper hergestellt?
Die Grundlage für die Herstellung von Frischfaserpapier ist Holz. Dieses wird gekocht, sodass Fasern entstehen, die nach mehrmaligem Waschen für die Herstellung von Papier verwendet werden können ^[2]. Bei Recyclingpapier hingegen entfällt die Faserherstellung. So werden über 90 % des Wassers und 75 % der Energie eingespart (Abb. 1, 2). Außerdem ist die Abwasserbelastung geringer. Und da der Rohstoff Recyclingpapier direkt vor unserer Haustür liegt, wird auch kaum Energie für den Transport benötigt – ganz im Gegensatz zum Holztransport, der oft über Kontinente hinweg praktiziert wird ^[3].

**Abbildung 1** Altpapier kann man auch selber herstellen. Zuerst wird altes Papier in kleine Fetzen zerrissen und eingeweicht …

**Abbildung 2** … dann mit einem Sieb abgeschöpft und getrocknet. Anleitungen hierzu finden sich im Internet, Sets zur Herstellung von Altpapier kann man im Spielwarenladen kaufen.

Viele Siegel für’s Papier
Die Umweltfreundlichkeit von Recyclingpapier wird durch vielerlei Siegel sichtbar gemacht. Allerdings kann man nicht auf den ersten Blick erkennen, wofür ein Siegel konkret steht, was ein weiterer Grund für die Vorsicht von Kunden beim Kauf von Recyclingpapier ist. Schon allein der Begriff „Recyclingpapier“ kann missbraucht werden, er ist an keine Qualitätsanforderungen gebunden und damit nicht geschützt ^[4]. Zudem garantiert nicht jedes Siegel Umweltfreundlichkeit ^[5]. Manche Siegel, wie das FSC (Forest Stewardship Council)-Siegel, garantieren, dass das für das Papier verwendete Holz aus zertifizierter Forstwirtschaft kommt^[6]. Das bedeutet, dass Holz, welches für dieses Papier verwendet wurde, aus ökologisch und ökonomisch sinnvoll bewirtschafteten Wäldern stammt. So werden beispielsweise nicht mehr Bäume gefällt, als gepflanzt werden ^[6]. Das gleiche gilt für das PEFC (Programme for the Endorsement of Forest Certification schemes)-Siegel. Allerdings wird dieses wegen der schwachen Zertifizierungskriterien und der mangelnden Transparenz der Vergabe kritisiert ^[6].

Des Weiteren gibt es die EFC (Elemental Chlorine Free) und TFC (Totally Chlorine Free) Siegel, die eine Bleiche des Papiers kennzeichnen, bei der auf elementares Chlor oder sogar komplett auf Chlorverbindungen verzichtet wird ^[6]. Dadurch sinkt die Belastung von Abwasser und Luft ^[2]. Dennoch sind die beiden Siegel ohne weitere Siegel kein sicheres Kennzeichen für umweltfreundliches Papier^[6]. Nicht zuletzt gibt es Siegel wie „Pro Planet“, die wegen ihres ansprechenden Namens vertrauenswürdig wirken, aber nichts garantieren ^[4]. So wird das Pro Planet Siegel von dem Rewe-Konzern für in den Augen des Konzerns umweltfreundliche Produkte vergeben. Nur ist diese Bewertung subjektiv und wird von keiner unabhängigen Institution kontrolliert ^[4,7].

Worauf kann man sich dann verlassen? Umweltfreundliches Papier wird von Siegeln gekennzeichnet, die einen Altpapieranteil von 100 %, eine chlor- und chlorverbindungenfreie Bleiche und ein transparentes Vergabeverfahren garantieren ^[6]. Zudem achten diese Hersteller auf eine ressourcenschonende Produktion^[6]. Das wohl bekannteste vertrauenswürdige Siegel ist der blaue Engel ^[2](Abb. 3). Es gibt aber auch andere Siegel, die keineswegs schlechter sind. Dazu zählen das ÖkopaPLUS Siegel (Abb. 4), das VUP-Siegel und die Kennzeichnung als „original Umweltschutzpapier“ (UWS-Papier) ^[2,6].

Abbildung 4 ÖKOPAplus-Siegel

Trotz aller Umweltfreundlichkeitsgarantien gibt es immer noch viele, die Recyclingpapier nicht verwenden, weil sie ihm eine schlechte Qualität zuschreiben: Recyclingpapier sei grau und rau, die Tinte verlaufe darauf, es sei nicht kopierfähig und viel teurer als normales Papier ^[2]. Das aber ist so nicht richtig. Institutionen wie das Bundesamt für Materialprüfung und die Stiftung Warentest haben Recyclingpapier auf verschiedene Eigenschaften getestet. Nach ihrer Einschätzung ist Recyclingpapier bezüglich Qualität in keiner Weise schlechter als Frischfaserpapier^[2].

Und der Preis?
Was den Kaufpreis betrifft, ist Recyclingpapier in großen Mengen sogar 10 – 15 % billiger als herkömmliches Papier – vor allem ein Vorteil für große Firmen^[2]. Bleibt die Sache mit der Farbe: Tatsächlich ist Recyclingpapier oft nicht so weiß wie Frischfaserpapier. Das liegt daran, dass auf die umweltschädliche Bleiche oder De-Inking, also die Entfernung von Druckerfarbe, verzichtet wird ^[2]. Das heißt aber nicht, dass es kein weißes Recyclingpapier gibt: So stellt ÖkopaPLUS Recyclingpapier her, das aufgrund von der Zugabe von Naturstoffen seine weiße Farbe erhält ^[2].

Im Klartext: Recyclingpapier hat gegenüber Frischfaserpapier qualitativ keine Nachteile und ist wesentlich umweltfreundlicher. Warum sollten wir dann nicht alles daransetzen, möglichst viel unseres Papierbedarfs damit zu decken und so einen kleinen Teil zum Umweltschutz beizutragen? Gerade an Schulen lässt sich die Verwendung von Recyclingpapier als Kopierpapier oder in Form von Schulheften gut umsetzen.

Warum können Affen nicht sprechen?

12/08/2019Young Science2019-1, IssuesAffen, Biologie, Kognition, Sprache, Sprechtrakt, ZoologieKommentare deaktiviert

Dieser fundamentalen Frage widmen sich zwei grundsätzlich unterschiedliche Theorien. Die Sprechtrakthypothese sieht das „Problem“ in einer Unterentwicklung des Sprechtrakts bei Affen, wohingegen die Kognitionshypothese auf einen Mangel an kognitiven Fähigkeiten hinweist.

Die „Sprechtrakthypothese“ galt lange Zeit als „weithin akzeptierte Gelehrtenmeinung“ ^[1]. Sie geht davon aus, dass das Fehlen einer komplexen Sprache einem nur wenig ausgeprägten Sprachtrakt geschuldet ist. „Menschen scheinen die einzigen Primaten zu sein, die über die Fähigkeit verfügen, ihre Artikulation flexibel einzusetzen und ihre Atmung, Stimmbildung sowie die Bewegungen des Sprechtrakts in einer komplexen Handlung zu koordinieren, wie dies für die Sprachproduktion notwendig ist” ^[1] .

So wurde in der Studie von Lieberman et al. (1969), bei der ein Computerprogramm zur Simulation der Artikulationsfähigkeit von Rhesusaffen zum Einsatz kam, festgestellt, dass „der Sprechapparat des Rhesusaffen von Natur aus nicht dazu in der Lage sei, die Bandbreite der menschlichen Sprache hervorzubringen” ^[2]. Rhesusaffen können aufgrund ihrer Anatomie sprachuniverselle Vokale wie „i“, „u“ und „a“ rein anatomisch nicht bilden. Diese Vokale findet man in praktisch jeder menschlichen Sprache. Sie tragen maßgeblich zur Robustheit der Sprache als mündlichem Kommunikationsmittel bei ^[3].

Weiterhin wurde in einer Studie von Lieberman & Crelin (1971) festgestellt, dass der rekonstruierte Sprechtrakt eines (erwachsenen) Neandertalers dem eines menschlichen Neugeborenen heutzutage ähnelt. So konnte der Neandertaler offenbar die für unsere heutige Sprache so typischen Vokale „i“, „u“ und „a“ nicht aussprechen. Das weist auf eine Entwicklung des menschlichen Sprechtrakts nach einer Teilung der Evolutionslinien von Menschenaffen und Menschen hin ^[4].

Diese Annahme ist allerdings umstritten und wird auch in mehreren Studien kontrovers diskutiert. So z.B. in einer aktuellen Studie von Fitch et al. (2016) ^[1], die sich im Gegensatz zur Studie von Lieberman et al. (1969) ^[2] auf Röntgenaufnahmen von lebenden Makaken-Affen stützt (Abb. 1). Die AutorInnen zeigen, dass „das tatsächliche Potenzial eines Primatensprechtrakts nicht derart eingeschränkt ist wie ursprünglich angenommen“ ^[1].

Abbildung 1 Fitch et al. (2016) führten ihre Studie an lebenden Makaken durch.

Jedoch wurde damit die Lieberman-Studie nicht wiederlegt, da dieser sein Ergebnis nicht als einen Beweis ausschließlich zu Gunsten der Sprechtrakthypothese sieht: Vermutlich „basiert die Evolution der menschlichen Sprache auf beidem [also sowohl auf der Anatomie als auch auf der kognitiven Leistungsfähigkeit]“ ^[3].

Die Kognitionshypothese nimmt im Gegensatz zur Sprechtrakthypothese an, dass Affen grundsätzlich eine potente Ausprägung des Sprachtraktes besitzen, die es ihnen ermöglichen würde, eine menschenähnliche Sprache zu entwickeln. Sie geht davon aus, dass Affen evolutionsbedingt kognitiv nicht in der Lage sind, eine solche zu entwickeln und/oder zu benutzen.

Allerdings gibt es in den Reihen der Befürworter dieser Hypothese auch eine Kontroverse darüber, worin genau sich die Intelligenz von Affen und Menschen in Bezug auf die Sprachfähigkeit genau unterscheidet. So fanden Hermann et al. (2007) nach der Durchführung von mehreren Tests mit Schimpansen, Orang-Utans und zweijährigen Kindern heraus, dass sich deren allgemein-kognitiven Fähigkeiten nicht besonders unterscheiden (Abb. 2). Jedoch konnte man im Bereich der sozialen Kognition bei den Zweijährigen „deutlich höhere Fähigkeiten in der Auseinandersetzung mit der sozialen Welt“ feststellen ^[5].

Abbildung 2 Schimpansen zeigen ähnliche allgemein-kognitive Leistungen wie 2-Jährige, haben allerdings deutliche Nachteile im Bereich der sozialen Kognition.

Die Studie von Warneken et al. (2006) ^[6], die sich ebenfalls mit der Intelligenz von Affen im Vergleich mit der von Kleinkindern beschäftigten, bestärkte die Ergebnisse von Hermann et al. 2007 ^[5] und zeigte, dass sich die Fähigkeit zur komplexen Kooperation und Kommunikation auch schon bei Kindern feststellen lässt.

Tomasello (2011) sieht den Grund der „Schaffung konventioneller Sprache“, in der Ausbildung von Gebärden und Zeichensprachen ^[7]. So beschreibt er Zeigen und Gebärden als evolutionäre Übergangspunkte der menschlichen Kommunikation zur Lautsprache. Viele Vertreter ähnlicher Theorien bemerkten weiters, dass ein Zustand der Kooperation durch Gestikulieren erreicht werden kann. Der Zustand der „Natürlichkeit“ macht diese Art der Kommunikation, so Tomasello, zu einem „Zwischenschritt in der Entwicklung der Kommunikation von Menschenaffen zu willkürlichen sprachlichen Konventionen“ ^[7] (Abb. 2).

Vermutlich treffen beide Hypothesen zu. Auch könnte es sein, dass sich das Gehirn des Homo sapiens sapiens im Laufe der Evolution anders entwickelt hat als das eines Affen und dass der Sprechapparat des Menschen durch die Notwendigkeit des Kommunizierens „optimiert“ wurde.

Der Mpemba-Effekt

03/01/2019Young Science2019-1, IssuesAntperistasis Theorie, Eiskristalle, gefrorenes WasserKommentare deaktiviert

Der Effekt, dass Wasser, das zuvor erhitzt wurde, schneller gefriert als kaltes Wasser, war schon Aristoteles bekannt: Er betrachtete diese Beobachtung als Bestätigung seiner „Antiperistasis“-Theorie. Diesem Konzept zufolge nimmt die Intensität eines Merkmals plötzlich zu, wenn in der Umwelt das gegenteilige Merkmal zunimmt.

Mit der Widerlegung der Antiperistasis geriet dieses Phänomen wieder in Vergessenheit, bis es 1963 von Erasto Mpemba, einem tansanischen Schüler, wiederentdeckt wurde. Er beobachtete, dass heiße Milch schneller gefriert als kalte. Als Mpemba seinen Physiklehrer auf seine Beobachtung ansprach, wurde ihm versichert, dass er falsch liegen müsse, da dies schlichtweg unmöglich sei. Zum Glück kam bald darauf Dr. Osborne, ein Hochschulprofessor für Physik, an die Schule und wurde von Mpemba auf seine Beobachtung angesprochen. Auch Osborne war zuerst skeptisch, versprach aber, die Behauptung von einem Mitarbeiter überprüfen zu lassen. Nach mehreren Experimenten, die Mpembas Behauptung stützten, publizierten Mpemba und Osborne schließlich gemeinsam die Erkenntnis, dass dieser Effekt existiert ^{[1, 2]}.

In der Folge wurden aber auch andere Ergebnisse von Experimenten publiziert, bei denen dieser Effekt nicht auftrat. Dies legt die Annahme nahe, dass es von den konkreten Rahmenbedingungen abhängt, wie schnell erhitztes Wasser im Vergleich zu kaltem Wasser tatsächlich gefriert ^[3].

Der Effekt, bei dem vormals heißes Wasser schneller Eiskristalle bildet als vormals kaltes Wasser

Abbildung 1 Die Erhitzung des Wassers an der Unterseite des Gefäßes führt zu einem Temparaturunter-schied innerhalb des Gefäßes. Dadurch entsteht eine Strömung (Konvektion),
die dazu führt, dass die zirkulierende Flüssigkeit an der Öffnung des Gefäßes
mehr Hitze abgeben kann.

Wie kann man den Effekt erklären?

Konvektion (Abb. 1)
Da die Abkühlung vor allem an der Wasseroberfläche stattfindet, spielt die Oberflächentemperatur eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit der Abkühlung. Durch eine höhere Kerntemperatur, wie sie bei der wärmeren Flüssigkeit gegeben ist, ist der Temperaturunterschied zwischen
Oberfläche und Kern der Flüssigkeit größer: Es kommt bei der heißeren Flüssigkeit zu stärkerer Konvektion als bei der kalten und somit zu einer höheren Wärmeabgabe. Dieser Effekt hält auch noch an, wenn beide Flüssigkeiten die gleiche Kerntemperatur haben ^[2].

Unterkühlung
Eine andere Erklärung findet sich bei Bregovic: Durch das Herabsetzen des Gefrierpunktes (Unterkühlung) braucht das kalte Wasser länger zum Gefrieren als die heiße, nicht unterkühlte Flüssigkeit. Es ist grundsätzlich möglich, durch vorheriges Erhitzen die Unterkühlungstemperatur zu erhöhen oder zu senken. Die Richtung der Änderung hängt von der genauen Beschaffenheit der Wasserprobe und des Gefäßes ab, je nachdem, ob es sich beispielsweise um einen Glaszylinder oder eine tönerne Schale, oder um Milch anstelle von Wasser handelt^[4].

Verdunstung:
Bei der heißen Flüssigkeit verdunstet mehr Wasser als bei der kalten, weshalb einerseits weniger Wasser übrig ist, das abgekühlt werden muss. Andererseits wird ein Teil der Wärme in Verdampfungswärme umgewandelt, was zu einer zusätzlichen Abkühlung der heißen Probe führt. Jedoch betrug der Masseunterschied vor und nach dem Experiment nie mehr als 3 %, weshalb der Effekt, dass weniger Masse abgekühlt werden muss, vernachlässigbar sein sollte. Auch die höhere Verdampfungswärme kann den Mpemba-Effekt nicht alleine erklären, da irgendwann das heiße Wasser die Anfangstemperatur des kalten Wassers
erreicht hat und dann die Abkühlkurve der ehemals heißen Flüssigkeit gleich verlaufen müsste wie die der kalten Flüssigkeit ^[3].

Wasserstoffbrückenbindungen (Abb. 2):
Die vielleicht plausibelste Erklärung geht davon aus, dass durch das Erhitzen viele Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen werden und der Abkühlprozess so schnell verläuft, dass sie sich nicht mehr neu bilden können. Das führt zu einer größeren Entropie bei dem vorher erhitzten
Wasser. Irgendwann haben dann die beiden Wasserproben dieselbe Temperatur, aber die vorher erhitzte Wasserprobe hat noch immer eine größere Entropie und somit eine größere Wahrscheinlichkeit für Molekülkollisionen. Die Moleküle verlieren mehr kinetische Energie, die Temperatur der Wasserprobe sinkt. Dadurch gefriert warmes Wasser
schneller als kaltes – aber nur, wenn der Abkühlvorgang hinreichend schnell abläuft und das Wasser so hoch erhitzt wurde, dass genug Brückenbindungen aufbrechen ^[4]. Es gibt noch weitere Erklärungsversuche. Wahrscheinlich spielt die Kombination mehrerer Effekte eine Rolle.

Abbildung 2 Wasserstoffbrückenbindungen (engl. hydrogen bonds, in der Abbildung durch Pünktchen dargestellt) bestehen zum Beispiel zwischen Wasserstoffund
Sauerstoffatomen einzelner Wassermoleküle.

Was lernen wir vom Mpemba-Effekt für die Wissenschaft?

Der Mpemba-Effekt ist in vielerlei Hinsicht interessant. Zum einen sehen wir, wie kompliziert manche Alltagsphänomene sein können, wenn man sie genau genug untersucht. Schließlich geht es nur um die Zeit bis zum Gefrieren einer Flüssigkeit, und dennoch gibt es keine vollständig bestätigte Theorie dazu [1]. Keine der bisherigen Theorien konnte den
Effekt bisher alleine erklären, womit eine Kombination verschiedener Ursachen auf der Hand liegt. Bregovic schreibt dazu sehr passend, dass sich hinter dem Problem, den Effekt endgültig zu klären, anscheinend ein grundsätzliches theoretisches Problem verbirgt^[4].

Aus der Geschichte des Mpemba-Effektes lernen wir, dass in der Wissenschaft Beobachtungen von Nicht-WissenschaftlerInnen oft nicht ernst genommen werden. So hatte der Physiklehrer von Erasto Mpemba seine Beobachtung sofort als falsch abgestempelt, ohne selbst das Experiment durchgeführt zu haben. Und damit ist er nicht der einzige, denn noch immer stehen viele WissenschaftlerInnen dem Mpemba-
Effekt sehr skeptisch gegenüber, obwohl er bereits mehrfach unter bestimmten Bedingungen experimentell nachgewiesen wurde. Der Wissenschaftstheoretiker Kuhn schreibt, dass Wissenschaftler stets dazu
neigen, Experimente vor dem Hintergrund des herrschenden Paradigmas zu sehen ^[5].

Das führt zu gewissen Problemen, denn in der Physik müssen stets Theorien mit Experimenten verifiziert oder falsifiziert werden und Experimente stellen sicher, dass der Bezug zur Realität gegeben ist.
Wenn aber nur experimentelle Ergebnisse akzeptiert werden, die dem theoretischen Modell entsprechen, dann droht ein Stillstand in der Wissenschaft, da Theorien nicht mehr überarbeitet werden und neue Theorien a priori abgelehnt werden ^[5]. So hat sich auch der von Osborne beauftragte Mitarbeiter verhalten: Nach dem ersten Experiment, das
den Mpemba-Effekt bestätigte, versicherte er, er werde den Versuch so oft wiederholen, bis er das erwartete Ergebnis erhielte ^[2]. Nach weiteren Wiederholungen musste er seine Meinung ändern, wodurch uns bis heute ein nicht wirklich erklärtes Phänomen beschert wurde.

Editorial 2016-1

04/07/2016Young Science2016-1, IssuesKommentare deaktiviert

Liebe Leserin, lieber Leser!

Mit dem Frühling erwacht auch das Interesse an der Natur wieder, nicht wahr? Und so dürfen wir Dir in dieser sechsten Ausgabe von YOUNG SCIENCE eine bunte Mischung aus allen Naturwissenschaften präsentieren.

Stefanie Paller erklärt uns, wie organische Solarzellen funktionieren und warum an ihnen gerade so heiß geforscht wird. Die Autorin ließ es sich nicht nehmen, dafür selber ins Labor zu gehen.

Sunny Laddha hat ebenfalls experimentiert. Sein Interesse galt Teilchen, die man nicht sehen kann – die auf der Erde jedoch eine ganze Menge Schaden anrichten können: die Weltraumstrahlung.

David Hubner blieb lieber zuhause – dafür holte er sich die Tropen in sein Wohnzimmer. Leider hat er nicht verraten, ob seine Eltern die bunten Pfeilgiftfrösche auch so mögen wie er…

Karin Traxler mag es ebenfalls bunt – nicht aber auf der Haut
. Sie warnt uns in ihrem Text vor der Chemikalie Paraphenylendiamin. Sie ist in manchen Tattoos und Haarfarben enthalten.

Schließlich untersuchte eine Gruppe Vorarlberger SchülerInnen, wie sich das Holz von Bäumen in unterschiedlichen Höhenlagen verändert. Wie ein Specht bohrten sie dafür Löcher in die Stämme.

Und Clara Deifel fragt sich, ob die Halligen wohl den Klimawandel überstehen werden.

Dank der Kooperation mit dem Landesschulrat Vorarlberg dürfen wir nunmehr ein fünftes Bundesland in unseren Reihen begrüßen. Ein herzliches „Zeawas!“ an das nordwestlichste Land Österreichs! Großer Dank gilt unseren finanziellen Partnern, die uns mit Werbung oder als Sponsoren unterstützen und Dir damit dieses Leseerlebnis ermöglichen, ebenso den Landesschulräten Steiermark, Kärnten, Burgenland, Salzburg und Vorarlberg für die Verteilung von YOUNG SCIENCE.

Und schließlich: Herzlichen Dank an alle LehrerInnen, die beim Schreiben geholfen haben

Und? Hat es Dich gepackt? Wir freuen uns immer über Artikel, Kartoons, Rätsel, Zeichnungen oder Interviews aus der weiten Welt der Wissenschaft. Aufgrund der Unterstützung durch die 7.fakultät der Universität Graz können
wir jeden Beitrag mit einem Buchgutschein belohnen.

Dein Uwe Simon

In den Baum geschaut

04/07/2016Young Science2016-1, IssuesBiologie, Botanik, Holz, Kooperation, Leitelemente, PflanzeKommentare deaktiviert

Holz ist für uns Menschen wichtig, zum Beispiel als Baumaterial und Rohstoff. Der Baum produziert Holz aber nicht für uns, sondern für den Transport von Wasser und seine mechanische Stabilität. Im Projekt „Woody Woodpecker“ hat eine Gruppe von SchülerInnen des Sportgymnasiums Dornbirn in Zusammenarbeit mit der Universität Innsbruck das Holz von Bäumen aus unterschiedlichen Höhenlagen analysiert.

Abbildung 1 Entnahme eines Bohrkerns mittels Zuwachsbohrer bei einer Fichte in Wald am Arlberg

Noch ein paar Umdrehungen, dann ist es geschafft! Es ist ganz schön anstrengend, einen Zuwachsbohrer in den Stamm einer lebenden Fichte zu treiben – besonders dann, wenn dutzende Bäume an einem Tag angebohrt werden müssen und man die richtige Bohrtechnik gerade erst erlernt hat. Wir befinden uns in einem Hang in Wald am Arlberg, um mit diesen Bohrern Bohrkerne zu entnehmen. An denen wird später die mikroskopische Struktur des Holzes untersucht. Jeder Bohrkern wird sorgfältig verpackt, bevor wir die nächste Fichte für unser Forschungsprojekt „Woody Woodpecker“ anbohren. Wir vermuten nämlich, dass bei den weiter oben wachsenden Fichten nicht nur die Jahrringe, sondern auch die Zellen im Holz kleiner sind. Dieses Sparkling Science Projekt wird von Professor Stefan Mayr gemeinsam mit 13 SchülerInnen der 7. Klassen des BORG Dornbirn und ihrem Biologielehrer Gerhard Purin durchgeführt. Stefan Mayr arbeitet am Institut für Botanik der Universität Innsbruck und beschäftigt sich schon seit langem mit unterschiedlichen Forschungsfragen rund um Bäume [1,2]. Die Projektidee basiert auf einigen Vorprojekten, die gezeigt haben, dass das Holz für den Baum mehrere wichtige Funktionen erfüllt. So sorgt es für Stabilität, und in ihm findet der Wassertransport statt [3,4 ].

Da das Wachstum von Bäumen auch von der Höhenlage beeinflusst wird [5], ergab sich die Frage, ob sich die Strukturen des Holzes mit der Höhe verändern – etwa durch Anpassung oder durch eine Wachstumslimitierung. Da es sehr wenige Untersuchungen zu diesem Thema gibt, soll dieses Projekt mehr über mögliche Veränderung des Holzes mit zunehmender Höhenlage in Erfahrung bringen. Um die Baumstruktur analysieren zu können, nahmen wir im September 2014 Proben von Bäumen unterschiedlicher Höhenlagen. Solche Proben werden mittels eines so genannten Zuwachsbohrers gezogen (Abb. 1). Dabei ist zu beachten, dass der Bohrer in Brusthöhe angesetzt wird und möglichst waagerecht zum Baummittelpunkt gebohrt wird. Durch vorsichtiges Herausziehen des Bohrers kann der Bohrkern entnommen werden. Die angebohrten Bäume waren Fichten von verschiedenen Höhenregionen über 1000 Metern. Die Fichte ist ein wichtiger Forstbaum in mittleren und höheren Lagen und deshalb auch wichtig für unser Projekt.

Abbildung 2 Mikrotom zur Herstellung mikroskopischer Schnitte

Aus den Proben fertigten wir mit Hilfe eines Mikrotoms (Abb. 2) mikroskopische Schnitte an. Mit dem Mikrotom können sehr dünne und gerade Schnitte von Holz angefertigt werden. Diese Schnitte werden gefärbt, um den Kontrast zu verbessern. Dazu werden sie kurz in Etzold-Lösung eingelegt, was zu einer intensiv roten Färbung der verholzten Bereiche führt. Anschließend werden die Schnitte unter dem Mikroskop betrachtet und Fotos angefertigt. An den digitalisierten Fotos der Schnitte werden mit einer Bildbearbeitungssoftware die Durchmesser der Leitelemente vermessen und der durchschnittliche Durchmesser berechnet.

Abbildung 3a Querschnitt aus dem Holz einer Fichte aus 1096m Seehöhe. Die Schnitte wurden eingefärbt, so dass alle verholzten Teile rot erscheinen. Ungefärbt sind die Hohlräume in den Leitelementen, in denen das Wasser transportiert wird. An der Oberseite des Bildes befindet sich eine Jahresringgrenze.

Abbildung 3b Querschnitt aus dem Holz einer Fichte aus 1780m Seehöhe. Die Schnitte wurden eingefärbt, so dass alle verholzten Teile rot erscheinen. Ungefärbt sind die Hohlräume in den Leitelementen, in denen das Wasser transportiert wird. An der Oberseite des Bildes befindet sich eine Jahresringgrenze.

ERGEBNISSE

Betrachtet man den Querschnitt eines Nadelholzes im Mikroskop, kann man erkennen, dass Holz vorwiegend aus Leitelementen besteht. Ein Querschnitt zeigt die Leitelemente so, wie wenn man ein Bündel von Strohhalmen von oben anschaut. Die hellen Bereiche sind die Hohlräume, durch welche das Wasser zu den Blättern fließt. Die mit Etzold-Lösung rot gefärbten Teile sind die Zellwände der Leitelemente (Abb. 3). Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Höhenlage keinen wesentlichen Einfluss auf den Durchmesser der Leitelemente im Holz hat. Obwohl die Bäume in höheren Lagen insgesamt langsamer wachsen, bleibt die Größe der Leitelemente konstant (Abb. 3, 4). Offensichtlich ist eine gewisse Größe der Leitelemente notwendig, um das Wasser optimal transportieren zu können. Dagegen hat sich auch gezeigt, dass die Wanddicke der Leitelemente mit zunehmender Höhe abnimmt. Möglicherweise können die weiter oben wachsenden Bäume wegen des kürzeren Sommers keine dicken Zellwände ausbilden. Das würde sich aber auch negativ auf die mechanische Stabilität des Baumstammes auswirken. Hierzu wären weitere Untersuchungen notwendig.

Abbildung 4 Durchschnittliche Durchmesser der Leitelemente im Holz von Fichten aus 1096m und 1780m Seehöhe. Die Balken zeigen den Mittelwert der Durchmesser aller Leitelemente in den mikroskopischen Schnitten.

INTERVIEWS

Das Forschungsprojekt scheint inhaltlich auf einem guten Weg zu sein. Wie geht es jenen, die am Projekt beteiligt sind? Hier arbeiten WissenschaftlerInnen mit SchülerInnen und LehrerInnen zusammen – eine Zusammensetzung, die in der Forschung nicht alltäglich ist. Deshalb haben wir Vertreter der drei Forschungsgruppen in Interviews befragt: Professor Stefan Mayr, Lehrer Gerhard Purin und Schüler Felix Gurschler.

Forschungsteam: Herr Prof. Mayr, warum wollten Sie dieses Projekt gerade mit SchülerInnen machen und wie zufrieden sind Sie mit den Projektergebnissen bis jetzt?

Mayr: Es macht immer großen Spaß mit jungen, interessierten Leuten Forschung zu betreiben. Eine wichtige Voraussetzung für dieses Projekt war, dass die geplanten Untersuchungen mit der Ausstattung von Schulen durchführbar sind und die SchülerInnen tatsächlich in die Forschungsarbeiten eingebunden werden können. Sie sind nun von der Probenentnahme über die Probenanalyse bis zur Auswertung beim ganzen Projekt beteiligt und können so auch die Früchte ihrer Arbeit ernten. Aufgrund unserer Voruntersuchungen gab es bereits Hinweise, dass keine großen Veränderungen in den Dimensionen der Leitelemente zu finden sind, was sich nun mehr oder weniger bestätigt hat. Ich finde es aber sehr erstaunlich, dass die Zellen mit Ansteigen der Höhe gleich groß bleiben, obwohl die Jahrringe deutlich schmäler werden – das belegt, dass die Dimensionen der Leitelemente für die Funktion des Holzes sehr wichtig sind!

Forschungsteam: Herr Mag. Purin ist Biologielehrer am BORG Dornbirn. Er hat selber in einem Forschungsprojekt über alpine Bäume bei seiner Diplomarbeit gearbeitet und war deshalb begeistert, als Professor Mayr ihn gefragt hat, ob er mit seinen SchülerInnen mitmachen möchte.

Purin: Ich finde die Möglichkeit, als Schule mit einer Universität zusammen zu arbeiten und die damit verbundene Möglichkeit für die SchülerInnen, mit richtigen WissenschaftlerInnen zu forschen und ihre Arbeitsweise kennen zu lernen, sehr interessant. Noch spannender ist die Tatsache, dass es sich um ein reales wissenschaftliches Projekt handelt. Für mich ist besonders wichtig, gemeinsam mit SchülerInnen zu erleben, wie Wissenschaft abläuft – von der Planung bis zur Durchführung und der Interpretation der Ergebnisse.

Ich denke, dass das Projekt im letzten Jahr für die SchülerInnen aber auch für mich viele Höhepunkte geboten hat, vor allem bei den praktischen Tätigkeiten, die wir gemeinsam mit den WissenschaftlerInnen durchgeführt haben. Im Kopf habe ich aber bereits einige Dinge, die ich im kommenden Jahr adaptieren möchte: Wissenschaft ist Knochenarbeit und braucht einen langen Atem. Auch das ist Teil des Lernprozesses. Im Laufe des Jahres habe ich bemerkt, dass es für meine SchülerInnen schwer ist, ihre Motivation und Begeisterung über ein ganzes Schuljahr aufrecht zu halten. Ich denke, beim nächsten Projekt bzw. im nächsten Jahr sollte man die Laufzeit jeweils auf ein Halbjahr beschränken.

Forschungsteam: Felix war so wie die anderen SchülerInnen von der Probenentnahme bis zur Auswertung dabei und spricht stellvertretend für uns.

Felix: Ich bin sehr zufrieden – vor allem hat mir gefallen, einen Einblick in das Uni-Leben und das wissenschaftliche Arbeiten zu bekommen. Die Geräte wurden uns von unserem Professor sehr gut erklärt und vorgeführt, weshalb es mir nicht schwer gefallen ist, mit den Geräten zu arbeiten und Ergebnisse zu erzielen. Am besten hat mir gefallen, dass wir die Möglichkeit hatten, in die Natur zu gehen und einmal einen ganz anderen Unterricht zu erleben.

Lernen in der Natur hat für mich einen besonderen Reiz, da man sich das Gelernte viel besser merken kann, wenn man es auch selber ausprobiert hat. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die Zusammenarbeit zwischen SchülerInnen, Lehrer, und ForscherInnen sehr gut funktioniert. Wir haben aber auch gelernt, dass die Forschungsarbeit sehr anstrengend sein kann.

Abbildung 5 Das Forschungsteam: SchülerInnen, Lehrer, WissenschaftlerInnen und eine Zirbe.

Fotos AutorInnen

Here comes the sun!

04/07/2016Young Science2016-1, IssuesChemie, chemistry, Energie, energy, organic solar cell, organische SolarzelleKommentare deaktiviert

Every day, we face the possibly greatest energy machine ever. It is the sun, and with the help of solar cells, its energy can be used to generate electrical current.

Most available solar cells are made of inorganic materials (this means that they do not contain any carbohydrates), mainly silicon, which is quite common in nature. Nevertheless, it has been tried to improve these solar cells and the idea of organic solar cells came up. They are said to be low-weight, flexible and transparent (which is important for panoramic roofs). Research about such cells was also started, because the production of organic solar cells was thought to be cheaper, but this has changed in the meantime
. Unfortunately, organic solar cells have a big disadvantage: Their energy conversion efficiencies are far lower (4-5%) than the energy conversion efficiencies of conventional solar cells (up to 39%) [1]. This means that they can transform less energy from the sun than inorganic ones.That is the main project in laboratories at the moment: Trying to enhance the energy conversion efficiency of organic solar cells [2] [3] [4].

Here I describe a series of experiments at the Institute of Chemistry and Technology of materials at the Technical University Graz, in which I investigated the influence of different production parameters on the energy conversion efficiency of polymer fullerene solar cells (a special type of organic solar cells). What is the energy conversion efficiency? It is the ratio between the generated electrical current and the energy from the sun. It tells you, how much of the sun‘s energy can be transformed into electrical energy. This article should give you a short overview of this topic.

HOW DO ORGANIC SOLAR CELLS WORK?

Organic solar cells are made of organic molecules (containing carbohydrates). The basic design can be compared with a sandwich. An electron donor and an electron acceptor are placed between two electrodes [5]. If solar cells are lighted, the electrons of the donor material reach a higher level of energy. The electrons are transferred from the donor to the acceptor material, which is able to absorb electrons. There is a flow of electrons and since electrical current is defined as a flow of charge, electrical current is being generated (see figure 1) [6].

Figure 1 Electron transfer in an organic solar cell? Light energy excites electrons of a donor molecule. Thereby these electrons are lifted to an energetically higher level. An acceptor molecule can then take up the electrons, if this is accompanied with loss of energy (the energy level of the electrons is lower in the acceptor compared to the excited state in the donor). When happening in numerous molecules in a row, an electric current is flowing. Why does the electron flow to the acceptor instead of falling back to the energetically lower state of the donor? The reason is the choice of the materials. The donor is made of a material which is intended to give away electrons, whereas the acceptor material easily accepts electrons.

THE EXPERIMENT

In the laboratory, I have produced bulk heterojunction solar cells, a special type of organic solar cells. Simplified, the design consists of a glass plate with anode material on it. Then the donor and acceptor layer are mixed and coated onto the plate. Finally, a metal electrode is added to the plate (see figure 2) [7].

Figure 2 Design of an organic bulk heterojunction solar cell: A transparent electrode is added to a glass plate, and subsequently the active layer consisting of donor and acceptor. A second electrode made of metal forms the last layer.

The donor materials in my experiments were three different polymers, abbreviated: P3HT, PCDTBT and PTB7. Different polymers were investigated and finally compared, because the chemical structure has a major influence on the energy conversion efficiency of solar cells. The fullerene phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) was the acceptor in this series of experiments. Fullerene is a big organic molecule, similar to graphite that looks like a football (see figure 3) [8].

Figure 3 Structural formula of PCBM

PRODUCTION OF THE ORGANIC SOLAR CELLS

After cleaning the glass plate and applying the different layers onto the substrate, aluminium contacts were vapour deposited as electrodes. Then the cells were tempered for 30 minutes (see figure 4).

Figure 4 Tempering the solar cells.

To find out how to improve my solar cells, I tried out four different temperatures. In another series of experiments I added process additives to the active layer to investigate their impact on the energy conversion efficiency. Process additives are chemicals which are said to have an impact on the properties of the finished layer. They can either improve or worsen the energy conversion efficiency of the solar cells.This has to be found out. Among other parameters, the energy conversion efficiency of the obtained solar cells (see figure 5) was measured with the help of a measuring box (see figure 6). The solar cells were exposed to light and the generated electrical current was measured. The electrical current was then compared with the incoming energy from the light and the energy conversion efficiency was calculated.

Figure 5 Self-made solar cells with polymers P3HT, PCDTBT and PTB7 (from left to right)

Figure 6 Measuring box: The solar cells are exposed to light and the electrical current measured to calculate the energy conversion efficiency. This occurs in a box in which the solar cells have to be placed. The front of the box consists of glass and faces the light source. Furthermore, the whole instrument is connected to a computer.

RESULTS

I know, this was a lot of (probably) complicated information and as you might already be thinking, I got a lot of data. That is why I will take two examples which I want to explain to you: Have a look at figure 7: After applying the polymer fullerene solution onto the plate, the latter was heated. The diagram shows the achieved efficiencies of solar cells produced with the polymer P3HT. The solar cells had been exposed to four different temperatures. The first measuring point shows the efficiency of solar cells which only experienced room temperature. The highest total energy conversion efficiency was achieved when the plate was previously heated to 140°C for 30 min. The energy conversion efficiency at 140°C is higher than at other temperatures, because thermal annealing (heating the plates) changes the structure of the polymer fullerene layer. In detail, thermal annealing leads to a larger interfacial area between donor and acceptor and improves the pathways for the electrons.

This leads to increased absorption of light and improved charge transport to the electrodes. This is important since electrical current is a flow of charge. But the energy conversion efficiency decreases when annealing temperatures are too high, because the structure of the molecules is changed. This makes the production of free electrons more difficult [9]

. The second parameter investigated was the process additives.

Figure 7 Influence of temperature on the efficiency of solar cells which had P3HT as electron donor.

When solar cells are produced, process additives are added to the polymer fullerene solution before it is coated onto the substrate. Figure 8 shows the influence of process additives on P3HT solar cells. The efficiency is plotted against the amount of process additive. Each of the used process additives: 1,3 diiodooctane (DIO) and benzene-1,3-dithiol (BED) has an impact on the energy conversion efficiency. In general, process additives are said to improve the mobility of holes, which can be described as positive charge carriers.

Figure 8 Influence of process additives on the energy conversion efficiency.

Diiodooctane is said to increase this mobility by adapting the morphology of the polymer fullerene film [10]. So, solar cells are still a big field for investigations. There are always new ideas and although they are rarely available so far, organic solar cells might be the future of solar cell technology, since they have advantages like flexibility and transparency. This may lead to new possibilities in architecture, such as panoramic roofs. Every single change in the production can have a huge impact and there is a lot of work behind a single solar cell. Perhaps you realize now what happens inside some of your daily gadgets. And when you see a football next time, you might react just the same as I do: „Oh my god, the football looks like a huge fullerene!“

Figures: Author

Vocabulary:

electrical current: Strom

to enhance: erhöhen

silicon: Silizium

energy conversion efficiency: Energieumwandlungseffizienz

carbohydrates: Kohlenwasserstoffe

to vapour-deposit: aufdampfen

to temper: tempern, härten, wärmebehandeln

Land unter – für immer?

04/07/2016Young Science2016-1, IssuesHallig, Halligen, Klimawandel, WattenmeerKommentare deaktiviert

Die Flut zieht sich langsam zurück. Noch ist das Watt von einer dünnen Wasserschicht bedeckt, die die kleinen Wölkchen am Himmel spiegelt. Ein leichter Wind bläst. Das Watt liegt ruhig da, scheinbar bis ins Unendliche (Abb. 1). In der Ferne ragen die Halligen in den Himmel: kleine Hügel, etwas höher als der sonst so flache Grund.

Abbildung 1 Das Wattenmeer

Die Halligen im nordfriesischen Wattenmeer sind Natur- und Kulturschätze – und sie sind bedroht: Schon heute macht sich der Klimawandel bemerkbar. Das Wasser nagt immer höher an der Halligkante, Stürme werden heftiger und die Hallig ist öfter als früher überflutet [1]. Die Halligbewohner setzen sich deshalb mit verschiedenen Projekten für die Zukunft der Halligen ein.

Süderoog (Abb. 2) ist die kleinste dauerhaft bewohnte Hallig des nordfriesischen Wattenmeers [2]. 6,5 km voller Sand, Schlick und Priele von der Insel Pellworm entfernt, wohnen zwei Personen in einer Zone des Nationalparks Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer (deutsche Nordsee), die Menschen eigentlich nicht betreten dürfen [2]. Nele Wree und Holger Spreer halten das Wohngebäude in Schuss, zählen Vögel, befestigen das Halligufer und machen alles, was auf einer Hallig an Arbeit anfällt. Besucher dürfen die Hallig nur mit geführten Wattwanderungen betreten. Zusammen mit dem Postboten können sie nach Süderoog wandern und werden dort mit Kuchen und Kartoffelsuppe bewirtet.

Abbildung 2 Karte der deutschen Halligen, Eegen Billers

Nele Wree ist 32 Jahre alt. Seit gut zwei Jahren lebt sie auf Süderoog und ihr gefällt es: „Man lebt hier sehr bewusst mitten in der Natur“, nur die Spontanität vermisst sie. Wenn sie die Hallig verlassen möchte, muss sie planen. Und wenn es dumm läuft, wird der Plan vom Wetter durcheinander geworfen. Doch sie lacht, als sie das erzählt. Zum Einkaufen fährt sie bei Flut mit dem Boot nach Pellworm, weiter kommt sie nicht, dafür ist die Zeit des Hochwassers zu kurz. Um die Hallig herum sind Steine, die die Hallig befestigen sollen. Der größte Teil der Hallig ist Salzwiese. Teilweise grasen darauf Schafe und Hochlandrinder (Abb. 3). Auch für Gänse, Hühner und Puten ist Platz und die einzige heimische Honigbienenart, die Heidebiene, sammelt hier ihren Nektar. Die Hallig ist ein anerkannter Arche-Hof, viele der Tierrassen sind alte Nutztierrassen, die sich an die Witterungsverhältnisse angepasst haben, aber heute vom Aussterben bedroht sind. Der andere Teil der Salzwiese ist Vogelschutzgebiet. Auf einem Hügel, einer sogenannten Warft, steht das einzige Haus (Abb. 4) [2]. Der Wind rauscht. Möwen kreischen. Rund um die Hallig sind riesige Flächen Wattenmeer. Ein kleines Fleckchen inmitten der Naturgewalten und der Schönheit der Natur. Hier hat die Natur das Sagen, nicht der Mensch!

Abbildung 3 Salzwiese mit Schafen in der Ferne

Nicht immer ist das Meer so friedlich wie an diesem Tag. Wenn im Herbst oder Frühling die Stürme kommen, heißt es für die Hallig „Land unter“, dann guckt nur die Warft mit dem Haus aus dem Meer. Meistens kündigt der Wetterbericht das einen Tag vorher an, dann treiben die Bewohner die Tiere auf die Warft. Wenn eine hohe Sturmflut bevor steht, schließen sie außerdem die Fensterläden, versiegeln die Türen mit Silikon, schichten Sandsäcke vor dem Haus auf und packen Lebensmittel.

Abbildung 4 Das Wohnhaus

Im Notfall müssen sie mehrere Tage in ihrem Schutzraum verbringen – zusammen mit Schafen, Rindern und allen Tieren, die nicht schwimmen können. Ungefähr 18 km von Süderoog entfernt lebt Fiede Nissen auf Langeneß (Abb. 2). Er ist 66 Jahre alt, war lange der Postschiffer der Halligen und erinnert an einen Seemann: Rauschebart, Kapitänsmütze, wettergegerbtes Gesicht, auch im Hochdeutschen eine Spur von Platt und ein tiefes Lachen. Er ist auf Langeneß geboren und hat bis auf einige Ausnahmen auch immer hier gelebt. Da bringt ihn so schell nichts aus der Ruhe: Weder Stürme und die zugefrorene Nordsee, noch neugierige Journalisten. Auch die Halligen akzeptiert er, wie sie sind. Leute, die „rumquaken“ und sich über das Halligleben beschweren, mag er nicht. „Dann sollen sie eben wegziehen!“, meint er gelassen. Ob er sich mal gewünscht hat, auf dem Festland zu wohnen? „Nie! Nur andersherum!“, antwortet er ohne Zögern. Und das, obwohl er die Jahrhundertflut 1962 miterlebt hat: Damals war er 13 Jahre alt. Der Wind peitschte ums Haus. Um 19 Uhr stand das Wasser vor der Haustür und stieg immer weiter. Nach und nach schlugen die Wellen immer höher gegen das Haus. Um 21 Uhr sind dann die Scheiben eingeschlagen, von da an hatten sie nur noch Kopfkissen, die sie gegen die Fenster drücken konnten, damit möglichst wenig Wasser ins Haus läuft. Doch auch das hielt nicht lange. Als dann um 24 Uhr Hochwasser war, stand das Wasser 1,10 m im Haus. Fiede Nissen lag mit seinem Bruder im Arm auf dem Heuboden, im Dach ein Loch. Es war kalt und nass.

Damit sie schliefen, gaben seine Eltern ihm und seinem Bruder den ersten Schnaps. Angst hatte er nicht wirklich, aber ein bisschen mulmig war ihm schon zu Mute, erzählt er. Bei dieser Sturmflut wurden auf den Halligen fast alle Häuser zerstört. Insgesamt gab es 340 Tote, die meisten in Hamburg [3]. Seit dieser Katastrophe gibt es in jedem Hallighaus einen Schutzraum im Obergeschoss (Abb. 5), „der stehen bleiben soll, wenn alles weg ist“, erklärt Nele Wree. Er steht auf Pfeilern, die tief im Boden verankert sind, hat doppelt verglaste Fenster und einen Kamin, so dass man dort im Notfall mehrere Tage überleben kann. Bei einer schweren Sturmflut verschanzen sich die Halligbewohner mit einem Notfallpaket im Schutzraum.

Abbildung 5 Schutzraum auf der Hallig Süderoog

Doch diese Fluten erhalten die Hallig am Leben. Wenn die Hallig überflutet wird, schwemmt die Nordsee mit Glück einen Millimeter Sand und Schlick an, so dass die Hallig wächst. Inzwischen steigt der Meeresspiegel aber mehr, als dass die Hallig wächst. Irgendwann könnten die Halligen im Meer versinken
. In Dagebüll, einem kleinem Ort an der Küste gegenüber von Föhr (Abb. 3) haben die Höchstwasserstände in 125 Jahren um einen guten halben Meter zugenommen [1]. Der Meeresforscher Prof. Karsten Reise prophezeit insgesamt einen Meeresspiegelanstieg von einem Meter bis zum Ende dieses Jahrhunderts [4]. Für viele Halligen wäre das ein „Land unter“ für immer. „Ich hoffe, dass wir das nicht mehr miterleben, aber man muss sich schon mit dem Gedanken auseinandersetzen“, meint Nele Wree.

Wenn die Halligen für immer überflutet würden, hätte das auch große Folgen für das Festland. Süderoog ist ein Wellenbrecher für die Insel Pellworm und die Halbinsel Nordstrand (Abb. 2). Ohne Süderoog würde die Küste wesentlich mehr Wellenwucht abbekommen und ein komplett neues Konzept für den Küstenschutz benötigen, sagt Wree. Um das zu verhindern, setzten sich Halligbewohner, Wissenschaftler, Naturschützer und Angestellte des Landes Schleswig-Holstein zusammen und überlegten, wie man die Halligen auf Dauer erhalten kann. Dabei spielt vor allem eine Rolle, wie man Änderungen frühzeitig mitbekommt und die natürliche Ablagerung optimieren kann. Außerdem wurde ein Ideenwettbewerb für Strategien zur Erhaltung der Halligen ausgeschrieben. Heraus kamen verschiedenste Ideen: vom Aufschütten der Westseite der Warften bis zur Entwicklung von modernen Mehrfamilienhäusern auf Stelzen [1].

Auf Süderoog ist noch etwas ganz anderes geplant. Diese Hallig bekommt keinen Strom vom Festland, sondern versorgt sich selber mit Solarstrom und Dieselmotoren. Wree und Spreer möchten die erneuerbaren Energiequellen ausbauen, bald soll es mehr Solarmodule und auch eine kleine Windkraftanlage geben. Vor eineinhalb Jahren wurde der Antrag dafür bewilligt, momentan suchen sie Geldgeber. Deshalb können sie ihren Traum von Strom aus vollständig erneuerbaren Energiequellen wohl frühestens im Winter nächsten Jahres umsetzen.

Das Wattenmeer ist eine Landschaft mit ständigen Veränderungen. „Die Hallig sieht jeden Tag anders aus“, meint Wree. Doch es sind Veränderungen, gegen die der Mensch keine Chance hat. Die Menschen leben hier mit einer Naturgewalt als Nachbar. Durch Ablagerungen sind die Halligen aus dem Meer entstanden und das Meer wird sie auch wieder zurückholen. „Es wird sicherlich irgendwann geschehen.“, sagt Wree. Der Wind pustet ihr die Haare ins Gesicht, doch sie macht erst gar keine Anstalten, das zu verhindern. Auf der Hallig muss man manche Dinge einfach hinnehmen. Doch obwohl ihr das so bewusst ist, denkt sie nicht ans Aufgeben, sondern steckt ihre Energie in die Zukunft der Halligen: Gelassen steht sie vor fast 100 Besuchern und versucht ihnen sowohl die Geschichte als auch die Zukunft der Hallig, den Arche-Hof, die Solaranlage, den Meeresspiegelanstieg, näherzubringen – mit leuchtenden Augen und einem mitreißenden Lächeln.

Fotos: Autorin

Paraphenylendiamin

01/07/2016Young Science2016-1, IssuesAllergie, Chemie, chemistry, Exzem, Henna, ParaphenylendiaminKommentare deaktiviert

Farbstoffe sind Teil unseres Alltags. Wir färben unsere Haut und unsere Haare und tragen Kleidung in verschiedensten Farben. Der Vielfalt sind scheinbar keine Grenzen gesetzt. Doch mögen die Dinge noch so bunt sein wie die Farben in einem Malkasten, oft sind sie weitaus nicht so harmlos.

Was ist die Ursache dafür, dass wir die Welt farbig sehen? Ein Stoff ist dann farbig, wenn er Licht innerhalb des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums, also mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 nm absorbiert. Die Farbe, in der der Stoff erscheint, ist die Komplementärfarbe von der, deren Spektralbereich der Stoff absorbiert [1]. Denn Licht anderer Wellenlänge wird an der Oberfläche des Stoffes reflektiert und trifft unser Auge. Dort wird es von Fotorezeptoren in der Netzhaut (Stäbchen und Zapfen) in elektrische Reize umgewandelt und an das Gehirn weitergeleitet. Sind diese Wellenlängen kurz, sehen wir Farben in Blau- und Violetttönen, bei langen Wellenlängen nehmen wir rote Nuancen wahr [1].

Verbindungen, die Doppelbindungen mit delokalisierten π-Elektronen enthalten, erscheinen uns farbig. Besonders bei konjugierten C=C-Doppelbindungen ist das der Fall. Das ist auch am Beispiel von Paraphenylendiamin (PPD) und den Komplexen ersichtlich, die daraus entstehen können und zum Färben verwendet werden (Abb. 1) [1].

Abbildung 1 Strukturformel von Paraphenylendiamin, Autorin

Gerade diese Chemikalie ist der Grund, warum man sich ein temporäres Tattoo im Urlaub mindestens zweimal überlegen sollte
. Paraphenylendiamin kommt beim Färben von Haaren, Leder und Textilien zum Einsatz und wird in Urlaubsländern gemischt mit Henna direkt auf die Haut aufgetragen. Und das, obwohl man Hautkontakt mit dieser Chemikalie unbedingt vermeiden sollte, denn sie wird nicht nur als giftig, reizend und umweltgefährlich, sondern auch als hoch sensibilisierend (Allergien auslösend) eingestuft [2,3].

TEMPORÄRE TATTOOS, WAS PPD DARIN VERLOREN HAT UND WAS DIE FOLGEN SIND

Temporäre Tattoos, auch Henna-Tattoos oder Temptoos genannt, werden in vielen Urlaubsorten angeboten. Im Unterschied zu „echten“ Tattoos, bei denen der Farbstoff in die Dermis (Lederhaut) gestochen wird, werden Henna-Tattoos nur auf die Haut aufgemalt [4]. Am Strand oder auf der Straße bieten Künstler den Passanten, besonders Kindern und Jugendlichen, solche Bemalungen an (Abb. 2) [5]. Das Angebot ist verlockend, schließlich soll das Tattoo ja schon nach zwei Wochen von selbst wieder verschwunden sein. Auch der Begriff „Henna“, mit dem das Produkt beworben wird, impliziert Harmlosigkeit, denn dieser Naturfarbstoff ist völlig unbedenklich und wurde bereits im antiken Ägypten zum Färben von Haut, Haaren und Nägeln verwendet. Gewonnen wird Henna aus den getrockneten und zerriebenen Blättern des Henna-Strauchs, der in Gebieten um das Mittelmeer wie auch in Indien und Nordaustralien zu finden ist.

Abbildung 2 Henna-Tattoo-Stand in Kroatien, Autorin

Das Missverständnis liegt hier: Das Henna führt zu einer roten bis braunen Färbung. Um das gewünschte Schwarz, eine bessere Definition der Zeichnung zu erzielen und diese wie ein „echtes“ Tattoo aussehen zu lassen, wird dem Henna PPD hinzugefügt. Außerdem dauert das „Tätowieren“ durch den Zusatz von PPD kürzer und das Henna-Tattoo hält für längere Zeit [6,7]. Je mehr PPD für das Temptoo verwendet wird und je länger man es einwirken lässt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, eine Allergie gegen diese Chemikalie zu entwickeln.

Die ersten Zeichen einer Dermatose (Hauterkrankung) treten innerhalb von vier bis 14 Tagen auf. Das Ekzem (der Ausschlag) begrenzt sich meist auf die bemalten Hautstellen und spiegelt exakt die Form des Tattoos wider (Abb. 3) [5]. Starker Juckreiz und Hautrötungen sind die ersten Symptome. Es bilden sich mit Flüssigkeit gefüllte Bläschen, die dicht beieinander liegen, wodurch ein millimeterhohes Relief entsteht. In manchen Fällen kann es zu Streureaktionen am ganzen Körper kommen. Bei Therapie mit hochdosierten Corticosteroiden (entzündungshemmende Medikamente) verheilt die Hautstelle nach einigen Wochen wieder, es können jedoch Pigmentstörungen und Narben zurückbleiben. Die Einschränkungen in Folge einer Allergie gegen PPD (Berufswahl, Haare färben, Kleidung) bestehen ein Leben lang [2,5,6,8].

Abbildung 3 Ekzem in Folge eines Henna-Tattoos, Birger Kränke

HAARFARBEN UND PPD

In allen Permanenthaarfarben ist Paraphenylendiamin enthalten. Hier dient es dazu, eine größere Farbvielfalt zu erzielen, wenn es mit anderen Stoffen kombiniert wird. Die verwendete Menge (siehe unten) ist so gering, dass es bei Trägern der Haarfarbe selten zu einer Allergie kommt. Bei Frisören, die häufiger mit der Substanz in Hautkontakt kommen, kann jedoch auch der geringe Anteil in den Haarfarben genügen, um zu einer Sensibilisierung zu führen.

Während Frisöre jedoch „nur“ mit Ekzemen an den Händen kämpfen, und sich hier auch mit Handschuhen vor den Allergenen schützen können, ruft PPD bei deren Kunden „nicht selten schwere Ekzeme des Gesichts hervor“, wenn sie bereits zuvor durch ein Henna-Tattoo sensibilisiert worden sind [9,10]. Es kann nämlich sein, dass beim Erstkontakt mit der Substanz keine Hautreaktion eintritt, obwohl schon eine Sensibilisierung stattfindet. Die Haut „vergisst“ das nicht. Das heißt, sobald die Haut erneut mit der Substanz in Kontakt kommt, bildet sich ein Ekzem. Besonders unangenehm und sogar sehr gefährlich kann das gerade bei Haarfarben sein. Deshalb findet man Warnhinweise auf den Produktpackungen der betreffenden Haarfarben [1].

Welche biochemischen Vorgänge bei der Sensibilisierung mit Paraphenylendiamin im Körper passieren, wenn diese Allergie ausgelöst wird, wird noch diskutiert. Die Parastellung, also das Gegenüberliegen der Aminogruppen am Benzenring, gilt jedoch als entscheidend für das hohe Sensibilisierungspotenzial (siehe Abbildung 1), da einige Verbindungen, die vergleichbar aufgebaut sind, ähnliche Reaktionen hervorrufen. Ein Beispiel dafür ist Paratoluylendiamin, gegen das es bei einer Sensibilisierung gegen PPD häufig Kreuzallergien gibt [2].

VERBOTE

Sowohl in der EU als auch in den USA ist PPD heute nur als Zusatz in Haarfarben erlaubt, wobei es in der EU ein Konzentrationslimit von 2% gibt, in den USA keines. Verboten ist das Auftragen des Stoffes auf die Haut, wie auch auf Wimpern und Augenbrauen [5]. In den meisten Ländern gibt es jedoch keine Bestimmungen, die das Auftragen von Henna-Pasten durch Tattoo-Künstler regeln. Das erschwert auch die Kontrolle des Vertriebs von Henna-Tattoos auf Stränden und anderswo [5].

MASSNAHMEN

Die Auswirkungen im Zusammenhang mit der Verwendung von PPD sind unbedingt ernstzunehmen. Sowohl durch Haarfarben als auch durch Henna-Tattoos bedingt gibt es immer mehr Sensibilisierungen. Das ist vor allem auf die mangelnde Information der Anwender zurückzuführen. Deshalb ist es wichtig, deren Bewusstsein durch verschiedene Maßnahmen, wie zum Beispiel Information durch die Medien oder Aufklärungsbroschüren bei Ärzten und in Schulen, zu stärken. Auch dieser Artikel soll ein Beitrag dazu sein.