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Wissen Sie noch, Hannah Monyer?

19/09/2014Young Science2014-1Biologie, Erinnerung, Gehirn, Interview, NeurobiologieKommentare deaktiviert

Die Heidelberger Neurobiologin Hannah Monyer über die Erinnerung. Ein Interview mit SchülerInnen der Salzburger HLF Ursprung im Rahmen des Schulprojekts „Mensch im Wandel“.

Abb. 1: Die Heidelberger Neurobiologin Hannah Monyer im Gespräch mit SchülerInnen der HLFS Ursprung aus Salzburg.

HLFS Ursprung: Sehr geehrte Frau Monyer, wir freuen uns sehr, Ihnen in Heidelberg im Gespräch gegenüberzusitzen. Wie viele Nervenzellen und Synapsen müssen bei Ihnen und uns geschätzt im Moment aktiv sein, um unsere Unterhaltung zu führen?

Hannah Monyer: Es werden auf jeden Fall sehr verschiedene Nervenzellen sein, denn unser Gespräch verlangt eine ganze Reihe von Prozessen: Meine Lippen bewegen sich, ich persönlich bewege mich während des Sprechens allgemein sehr viel, Ihre Frage löst bei mir einen Gedächtnisprozess aus, der verschiedene Hirnareale involviert. Bei Ihnen wird das Kurzzeitgedächtnis aktiv sein, damit Sie wissen, welche Frage Sie mir gestellt haben und abgleichen können, ob ich die Frage wie gewünscht beantworte. In Summe dürften Hunderttausende Nervenzellen an unserem Gespräch beteiligt sein. Das lässt auch einmal mehr erahnen, wie komplex unser Gehirn ist…

HLFS Ursprung: Kann man angesichts dieser Komplexität jemals eine Art Überblick gewinnen? Und wie wirkt sich die Komplexität auf die Formulierung von Forschungsfragen aus?

Hannah Monyer: Sie können keinen vollkommnen Überblick gewinnen, unsere Forschungsfragen sind deshalb sehr speziell, gehen ins Detail. Wir wissen in der Hirnforschung relativ gut, was auf molekularer Ebene passiert, und wir wissen grob, welche Gehirnareale bei welchen Prozessen aktiv sind. Alles, was dazwischen liegt, ist aktuell Gegenstand der Forschung. Je nach Labor wird ein anderer Aspekt dieser großen Lücke bearbeitet.

HLFS Ursprung: Gibt es einen Moment in Ihrer Vergangenheit, an den Sie sich besonders gut und deutlich erinnern? Und wo könnten die Gründe dafür liegen?

Hannah Monyer: Es gibt einen Moment in meiner frühen Jugend in Rumänien, der für mich prägend war: Wir hatten in der Schule im Biologieunterricht über das Schmerzempfinden gelernt, ich ging ganz begeistert nach Hause und berichtete meiner Mutter davon. Ich fand es unglaublich spannend, wie das Gehirn Reize von außen verarbeitet und freute mich ungemein, einen Zusammenhang zu verstehen; ich beschloss bereits damals, Medizin zu studieren. Bei diesem Beispiel haben wir es mit dem sogenannten „episodischen Gedächtnis“ zu tun. Und die Speicherung erfolgt hier insbesondere dann sehr effizient, wenn Emotionen im Spiel sind, positive wie negative. In meinem Fall gab es ein ganz besonderes Gefühl, das diesen Moment begleitete, und ich vermute, darin liegt der Grund, warum ich mich so deutlich daran erinnere.

Ich persönlich bin außerdem davon überzeugt, dass das Verstehen von Zusammenhängen mit großer Lust verbunden ist: Nehmen Sie ein Kind als Beispiel, dessen Augen strahlen, wenn es etwas begreift. Und meine Kolleginnen und Kollegen in der Wissenschaft können bestätigen, dass Erkenntnisgewinn lustbetont ist, denn andernfalls würden sie diesen Job niemals machen: Die Bezahlung ist zu schlecht, die Arbeit zu schwer. Man erlebt aber in der Wissenschaft diese speziellen Momente, in denen man Erkenntnis gewinnt, und diese Momente rufen ein so großes Lustgefühl hervor, dass alle widrigen Begleitumstände relativiert werden.

HLFS Ursprung: Interessanterweise findet man bei der Beschreibung des Gehirns viele Metaphern, wie wir sie auch aus der Beschreibung von Computersystemen kennen, zum Beispiel „Netzwerk“, „Verschaltung“ oder „Leitung“. Sind diese Begriffe gut gewählt, wenn man die Funktionsweisen von Gehirn und Computer vergleicht?

Hannah Monyer: Ja und nein. Wir Menschen verwenden grundsätzlich gerne Ausdrücke, die bereits gewisse Assoziationen hervorrufen. Das hat zur Folge, dass wir sehr genau darauf achten müssen, worauf mit bestimmten Bezeichnungen im jeweiligen Zusammenhang genau Bezug genommen wird: Mit dem Wort „Netzwerk“ kann in der Computerwissenschaft und in der Hirnforschung wirklich vieles gemeint sein. Es ist aber natürlich problematisch, wenn man aufgrund von gleichen Begrifflichkeiten davon ausgeht, dass ein Gehirn tatsächlich wie ein Computer funktioniert: Das tut es nämlich nicht! Zwar existieren einige Parallelen, zum Beispiel kann ein moderner Roboter in gewisser Weise lernfähig sein, aber es gibt doch erhebliche Unterschiede. Lassen Sie mich das an einem Beispiel illustrieren: Wir Menschen holen uns aus der Welt immer das, was für uns im jeweiligen Moment Sinn macht. Wir sind nämlich mit so vielen Reizen konfrontiert, dass wir sie gar nicht alle verarbeiten können, und daher führt unser Gehirn eine gewisse Selektion durch. Was das Gehirn aber nun auswählt und bearbeitet, wird davon beeinflusst, was schon im Gehirn gespeichert ist: Ich als Mensch werde also immer meine individuelle Vergangenheit in das einbringen, was ich in der Gegenwart tue
. Meine Vergangenheit wird sozusagen mein Ich in der Gegenwart formen. Es kann daher bei verschiedenen Menschen auch nie zu einem identischen Abbild dessen kommen, was sie gerade gleichzeitig erleben: Alle von Ihnen hören in diesem Augenblick exakt das Gleiche, eben das, was ich gerade sage; bei allen von Ihnen wird aber dadurch etwas anderes ausgelöst, denn Sie alle unterscheiden sich in Ihrem Vorwissen, Ihren Erfahrungen und Ihren Interessen. Hier sehen Sie große Unterschiede zu Computersystemen!

Abb. 2: Netzwerk?

HLFS Ursprung: Heuer jährt sich der Ausbruch des Ersten Weltkrieges zum hundertsten Mal. Gibt es denn die Hoffnung, dass die heutige Jugend, die keinen Krieg kennt, den Krieg so weit aus dem Gehirn gestrichen hat, dass er immer unrealistischer wird?

Hannah Monyer: Das ist eine sehr wichtige Frage, die ich leider nicht auf wissenschaftlicher Basis beantworten kann, zu der ich mir aber auch meine Gedanken mache. In Analogie zum Individuum stellen sich für die Gesellschaft nämlich folgende spannende Fragen: Woran erinnert man sich, was wird verdrängt? Was bleibt im kulturellen Gedächtnis, was verschwindet? Dabei spielen heute sicherlich moderne Technologien wie zum Beispiel das Internet eine Rolle und ihr Einfluss ist noch nicht absehbar: Zwar haben wir in Westeuropa seit Jahrzehnten keinen Krieg erlebt, andererseits vergeht kein Tag, an dem wir nicht mit Schreckensmeldungen und Horrorbildern aus aller Welt konfrontiert werden. Ich persönlich halte Bildung und Aufklärung für wesentliche Gründe, warum meine und Ihre Generation keinen Krieg erlebt hat. Ich denke, dass wir hier viel geschafft haben und dass man in anderen Teilen der Welt noch bestimmte Aufklärungsprozesse durchlaufen muss, die wir in Westeuropa schon hinter uns haben. Ich meinerseits bin jedenfalls eine Verfechterin von Bildung auf allen Ebenen und in diesem Sinne finde ich es beispielsweise auch sehr wichtig, dass junge Menschen reisen, um andere Teile der Welt kennenzulernen und so möglicherweise falsche Bilder im Kopf zu revidieren.

HLFS Ursprung: In unserem Projekt stellen wir uns die Frage nach den Konsequenzen bedeutender Wandelerscheinungen unserer Zeit, und die Entwicklung der Lebenserwartung ist ganz klar eine davon: Sie ist in Mitteleuropa in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen und damit wird die Frage nach geistiger Leistungsfähigkeit im Alter immer wichtiger. Gibt es möglicherweise Wege, den geistigen Abbau im Alter zu bremsen?

Hannah Monyer: Leider ist es so, dass alle plastischen Vorgänge im Gehirn, also die Bildung von neuen Kontakten oder Zellen, mit zunehmendem Alter abnehmen, und das bedauerlicherweise schon in Ihrem Alter. Diese Abnahme der Plastizität, die genetisch bedingt ist, kann sich in ihrer Geschwindigkeit zwischen Individuen zwar unterscheiden, aber sie lässt sich nicht aufhalten: Wir alle in diesem Raum werden mit achtzig mental weniger leistungsfähig sein als am heutigen Tag. Nun leben wir in einer immer älter werdenden Gesellschaft und es gibt für die weiteren Entwicklungen klare Prognosen: Bei Menschen über achtzig wird in Zukunft ein Drittel Alzheimer haben, ein Drittel wird leicht dement und das letzte Drittel normal sein. Und für dieses letzte Drittel lohnt sich mentales Training und ganz besonders auch Sport, wie aktuelle Studien ganz klar zeigen. Für die anderen beiden Drittel bleibt leider nur die Hoffnung, dass die Forschung schnell Fortschritte macht.

HLFS Ursprung: Steigen die Zahlen von Patientinnen und Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen denn allein aufgrund der Altersverschiebung an oder gibt es dafür möglicherweise auch andere Gründe?

Hannah Monyer: Forscherinnen und Forscher haben schon vor langer Zeit die Frage gestellt, ob möglicherweise auch Umwelteinflüsse dazu beitragen. Man kann tatsächlich nicht ganz ausschließen, dass auch Toxine bei der Entstehung von Alzheimer eine Rolle spielen. Eines kann man aber mit Sicherheit sagen: Wenn wir nur lange genug leben, würden wir alle Alzheimer bekommen. Manche müssten dafür hundert werden, andere hundertzwanzig, aber irgendwann im Alter wäre der geistige Abbau mit Sicherheit da. Es ist auch wichtig zu wissen, dass verschiedene Wege zum gleichen Ergebnis, nämlich Alzheimer, führen können, aber es ist eben noch nicht genau bekannt, was diese Wege anstößt.

HLFS Ursprung: Ein Phänomen unserer heutigen Gesellschaft ist außerdem verminderte körperliche Mobilität, sei es durch das Alter, sei es durch die modernen Fortbewegungsmittel unserer Zeit. Welchen Einfluss könnte das auf die Art und Weise haben, wie wir Räume wahrnehmen?

Hannah Monyer: Das ist eine tolle Frage! Ich kann dazu aus unseren eigenen Experimenten Schlussfolgerungen ziehen: In unserem Gehirn gibt es in zwei Hirnarealen, dem Hippocampus und dem entorhinalen Cortex, sogenannte „Platzzellen“, die feuern, wenn wir uns durch einen Raum bewegen. Wenn nun ein Versuchstier nicht selbst durch einen Raum läuft, sondern auf einem kleinen Wägelchen gezogen wird, so sind diese Zellen nicht aktiv. Das bedeutet, dass es für das Gehirn einen Unterschied macht, ob man sich selbst bewegt oder den Raum etwa aus einem Gefährt heraus wahrnimmt. Man erschließt sich also die Welt, indem man sich durch die Welt bewegt! Natürlich nimmt man einen Raum auch wahr, indem man Auto fährt, aber im Gehirn passieren andere Vorgänge. Meine persönliche Meinung ist nun, dass fehlende eigene Mobilität, wie man sie natürlich gerade bei alten Menschen beobachtet, auch Verschlechterungen im Gehirn zur Folge hat.

Abb. 3: Wie die Dinge zusammenhängen…

HLFS Ursprung: Man beobachtet häufig, dass wir bei weiter zurückliegenden Ereignissen oft die positiven Aspekte besonders betonen. Warum scheinen wir zu Verklärung zu neigen?

Hannah Monyer: Ich möchte zunächst darauf hinweisen, dass Menschen sich keineswegs ausschließlich an angenehme Dinge erinnern. Wir sind zwar eine Generation mit vergleichsweise wenig Traumata, aber es gibt natürlich sehr traumatisierte Menschen, die sich sehr wohl deutlich an negative Ereignisse in ihrem Leben erinnern. Aber Ihre Frage läuft auf einen wichtigen Punkt hinaus: Tatsächlich ist es so, dass wir Menschen jedes Mal, wenn wir eine Erinnerung aus dem Gedächtnis abrufen, diese in leicht veränderter Form dort wieder abspeichern. Beim Abrufen sehen wir die gespeicherten Inhalte im gerade aktuellen Kontext und das hat sehr großes Potenzial: Die ganze Verhaltenstherapie etwa baut darauf auf, man kann auf diese Weise zum Beispiel Phobien abbauen. Man kann die Auslöser für Angst in einen neuen Kontext stellen, wodurch Angst reduziert werden kann. Auch für die Rechtsprechung gibt es Auswirkungen, gerade was Zeugenaussagen betrifft: Es gibt Studien, die zeigen, dass Probanden völlig neue Inhalte als bekannt abspeichern, wenn diese im Kontext von vertrauten, stimmigen Inhalten präsentiert werden. Ein Proband kann so zum Schluss kommen, eine gewisse Handlung oder Begegnung hätte stattgefunden, obwohl das garantiert nie real der Fall war. Durch die Möglichkeit der Veränderung können Menschen ihre Erinnerungen auch erträglicher machen, wenn diese nach dem Aufrufen in abgewandelter Form im Gehirn gespeichert werden. Man nimmt an, dass diese Verklärung geschieht, um unser Dasein in gewisser Weise leichter zu gestalten. Wir alle müssen schließlich im Hier und Jetzt zurechtkommen.

HLFS Ursprung: Welche Rolle spielt der Schlaf für die Leistungsfähigkeit des Gehirns?

Hannah Monyer: Man weiß aus zahlreichen psychologischen Studien, dass Schlaf absolut essenziell ist, und es ist bekannt, dass aus chronischem Schlafmangel pathologische Zustände erwachsen können: Schlafentzug ist eine Foltermethode! Man weiß aber beispielsweise nicht, warum manche Menschen mit fünf Stunden Schlaf auskommen und andere bestenfalls mit acht. Es steht fest, dass es im Schlaf zu einem sogenannten „Replay“ kommt, der wichtig für das episodische Gedächtnis ist: Wenn man mit diesem Replay im Tierversuch interferiert, dann kommt es zu Gedächtnisstörungen. Eine ganz neue Studie zeigt außerdem, dass die Räume zwischen den Zellen sich im Schlaf ausdehnen und so Abfallprodukte aus dem Gehirn effizienter entfernt werden können, was wiederum der Funktion des Gehirns zugute kommen dürfte.

HLFS Ursprung: Wenn Sie Ihren eigenen Werdegang und Ihr Umfeld betrachten: Kann man, wenn man in der Wissenschaft erfolgreich sein will, Arbeit und Freizeit überhaupt noch trennen oder wird die Arbeit automatisch auch zur einzigen Freizeitbeschäftigung?

Hannah Monyer: Es gibt keine vollkommene Trennung, da haben Sie recht. Und natürlich nimmt die Wissenschaft den größten Teil meines Lebens ein. Die Themen meiner Forschung begleiten mich auch in anderen Bereichen: Wenn ich in ein Museum gehe oder ein literarisches Werk lese, dann sehe ich die Bilder oder Charaktere mit dem Blick einer Neurowissenschaftlerin

. Ich denke, wenn man sich abends schlafen legt und dann nicht auch manchmal von bestimmten berufsbezogenen Themen träumt, können sie einen nicht berühren. Die Grundvoraussetzung ist natürlich die Wahl des für sich richtigen und stimmigen Betätigungsfeldes, wir alle kommen nun mal mit unterschiedlichen Gaben auf die Welt. Ich denke, es ist sehr wichtig zu erkennen, wo man entsprechende Talente mitbringt, um mit einem geringen Aufwand besser zu sein als jemand anderer mit viel Aufwand. Erfolg hat aber auch viel damit zu tun, zur richtigen Zeit mit den richtigen Leuten in Kontakt zu sein. Ich hatte das Glück, drei hervorragende Lehrer zu haben, die ebenso zu meinem Erfolg beigetragen haben wie mein eigenes Interesse an der Sache…

HLFS Ursprung: Also braucht man eben auch das kleine Quantum Glück…

Hannah Monyer: Aber man muss es dann auch selbst in die Hand nehmen! Und da kommen wir wieder auf den Punkt zurück, von dem wir vorhin sprachen: Wir binden das, was wir wahrnehmen, in eine kohärente Repräsentation ein. Wir sehen, was wir wissen! Und wenn Sie nun – meinetwegen mit ein bisschen Glück – in der Forschung auf etwas Unerwartetes stoßen, dann müssen Sie auch in der Lage sein, beurteilen zu können, ob es sich dabei um etwas Neues, Spannendes handelt, oder eben nicht. Und das können Sie nur auf Basis Ihrer bisherigen Erfahrungen.

HLFS Ursprung: Zum Abschluss noch eine persönliche Frage: In einem Interview haben wir gelesen, Sie gehen mit Ihrer Familie und engen Freunden sehr gerne auf Reisen. Hat das gemeinsame Zusammensein unterwegs eine neurobiologisch wertvolle Komponente?

Hannah Monyer: Meiner Meinung nach sind gerade in unserer heutigen Gesellschaft, die materiell an vielen Stellen so gesättigt ist, gemeinsame Erlebnisse etwas vom Schönsten und Wertvollsten. Wenn Sie heute jemandem einen Gegenstand schenken, so ist dieser schnell alt und vergessen. Wenn Sie aber mit jemandem Zeit verbringen, so schaffen Sie gemeinsame Erinnerungen. Und diese bleiben. Wissen Sie noch, was ich vorhin zur Rolle der Vergangenheit für die Gegenwart gesagt habe? – Wer und was wir sind, speist sich aus unseren Erinnerungen!

Abb. 4: Gruppenbild mit Dame

SchülerInnen der HLFS Ursprung gingen im Projekt „Mensch im Wandel“ der Frage nach, auf welche Weise verschiedenste wissenschaftliche Disziplinen unsere Gesellschaft formen und wandeln. Dazu führten sie Gespräche mit insgesamt zwölf ExpertInnen aus den verschiedensten Bereichen, von Genetik, Weltraumforschung, Neurobiologie und Biochemie bis Kommunikationsforschung, Journalismus, Sprachwissenschaft, Kunst und Religion.

Der Chamäleon-Oktopus

19/09/2014Young Science2014-1Biologie, Meeresbiologie, Mimikry, Oktopus, Tiere, ZoologieKommentare deaktiviert

Wegen seiner ungewöhnlichen Fähigkeiten war der Chamäleon-Oktopus lange unbekannt, erst 1998 wurde Thaumoctopus mimicus zufällig entdeckt. Denn er hat ein unglaubliches Talent als Verwandlungskünstler und hält sich in Gegenden auf, in die nur selten ein Taucher gelangt.

Der Chamäleonoktopus wurde 1998 entlang der Küste von Sulawesi (Indonesien) gefunden. Neun verschiedene Exemplare wurden dort zwei Jahre lang von Wissenschaftlern gefi lmt und studiert. Man nahm zunächst an, dass er ausschließlich in diesen Gewässern lebt, doch das wurde mit einem Fund 2010 am Great Barrier Reef widerlegt (Norman u.a. 2001). Thaumoctopus mimicus hat wie alle Oktopusse acht Tentakel, zwei Augen und zwei mit Membranen bedeckte Löcher, die als Ohren dienen. Er kann im Notfall Tinte spritzen und dann flüchten, und er teilt mit seinen Artgenossen eine nur kurze Lebensdauer. Er wird bis zu 60 cm lang und ist eigentlich braun-weiß gestreift oder gepunktet, wenn er nicht gerade ein anderes Tier imitiert. Oftmals wird er deswegen mit dem ebenfalls erst kürzlich entdeckten ‚Wunderpus photogenicus‘ verwechselt.

Allerdings hat er im Gegensatz zu diesem und auch anderen Oktopussen Saugnäpfe, die bei beiden Geschlechtern gleich groß sind (http://news.nationalgeographic.com/news/2001/09/0920_octopusmimic.html). Thaumoctopus mimicus lebt in tropischen Gewässern, vor allem dort, wo Flüsse ins Meer münden und der Boden sehr schlammig und kahl ist. Solche Stelle besuchen Taucher nur selten, daher blieb er so lange unentdeckt. Wissenschaftler vermuten, dass er von Oktopussen, die am Korallenriff leben, abstammt, da diese ebenfalls tagaktiv sind. Möglicherweise zogen einige von ihnen in die kahlere Gegend, weil es dort weniger Konkurrenz und somit mehr Futter gibt. Da es aber auch weniger Versteckmöglichkeiten gibt, sind sie auf eine spezielle Tarnung angewiesen
.

Abb. 1: Thaumoctopus mimicus beim Imitieren einer Seeschlange.

Daraus resultierte die besonders ausgeprägte Mimikry (http://news.nationalgeographic.com/news/2001/09/0920_octopusmimic.html). Denn grundsätzlich sind alle Oktopusse in der Lage, andere Tiere zu imitieren oder sich ‚Tricks‘ von ihnen abzuschauen. Allerdings ist Thaumoctopus mimicus der einzige bekannte Oktopus, der eine Vielzahl anderer Tiere nachahmen kann. Er beherrscht über 15 verschiedene dokumentierte Imitationen, sogenannte Mimics, unter anderem Seeschlangen, Krabben, Quallen oder Feuerfische. Diese Mimikry erzielt er durch Veränderungen seiner Farbe und seiner Form (http://epiccreature.blogspot.co.at/2011/09/mimic-octopus-thaumoctopus-mimicus.html). Einige Tierarten kann er sogar imitieren, ohne sie jemals gesehen zu haben. Bisher ist unbekannt ist, woher er weiß, wie diese Tiere aussehen.

Es gibt Theorien, dass es ihm entweder von Artgenossen gezeigt wird oder dass er ein genetisches Gedächtnis hat, in dem diese Informationen abgespeichert sind. Der Vorteil an so vielen verschiedenen Mimics ist, dass es unwahrscheinlicher ist, dass ein Feind ihn als Oktopus erkennt und angreift. Außerdem geben diese vielen Mimics dem Thaumoctopus mimicus mehr Möglichkeiten, auf einen Feind zu reagieren. Je nach Umgebung und Angreifer wird er eine passende Abschreckung wählen. Das beste Beispiel hierfür ist seine Reaktion auf den Angriff eines Rabenfisches, wobei sich Thaumoctopus mimicus scheinbar in einen Nattern-Plattschwanz (eine Seeschlange) verwandelt, den natürlichen Feind des Rabenfisches. Dazu vergräbt er seinen Körper bis auf zwei Tentakel im Sand, und ändert seine Farbe zu schwarz-weiß gestreift. So gelingt es ihm, den Rabenfisch in die Flucht zu schlagen (http://news.
nationalgeographic.com/news/2001/09/0920_octopusmimic.html).

Abb. 2: Mimikry eines Feuerfisches zur Abschreckung von Feinden.

Doch die Mimikry dient nicht nur zur Abschreckung von Feinden. Thaumoctopus mimicus verwendet sie auch zum Anlocken seiner Nahrung. Er ernährt sich von kleineren Tieren wie Krabben, Würmern und Fischen, und er selber wird normalerweise nur von Tiefsee-Fleischfressern wie Haien angegriffen. Vor allem zur Jagd auf Krabben hat der Chamäleon-Oktopus eine sehr ausgeklügelte Taktik, um trotz der Scheren und der harten Schale der Krabben an seine Mahlzeit zu kommen. Wieder vergräbt er einen Teil seines Körpers im weichen Untergrund, während er mit dem Rest eine paarungsbereite Krabbe imitiert. Wenn dann eine richtige Krabbe kommt, um sich zu paaren, hat er ein leichtes Spiel mit ihr, da sie nicht mit einem Angriff rechnet und erst zu spät versucht sich zu retten (Norman u.a. 2001). Bisher wurde solch ein Verhalten nur in freier Wildbahn beobachtet, da es sehr wenige Exemplare von Thaumoctopus mimicus in Gefangenschaft gibt, und diese sich nicht ganz so wie ihre Artgenossen in der Natur verhalten (http://www.scinexx.de/dossier-detail-125-8.html). Noch ist wenig über dieses faszinierende Tier bekannt, doch dies wird sich hoffentlich in den nächsten Jahren ändern.

Klassifizierung
Stamm: Weichtiere (Mollusca)
Klasse: Kopffüßler
Ordnung: Kraken
Familie: Echte Kraken
Gattung: Thaumoctopus
Art: Thaumoctopus mimicus

Abbildungen: Mark Norman, Museum Victoria, Melbourne

Adipositas – Das andere Extrem

17/09/2014Young Science2014-1Biologie, BMI, Ernährung, Fettleibigkeit, HormonKommentare deaktiviert

Liegt der sogenannte Body Mass Index über 30, spricht man von Adipositas, extremer Fettleibigkeit, die zu Bluthochdruck, Diabetes, Schlaganfall und Herzinfarkt führen kann (Schermaier u.a., 2011).

Abb. 2: Weniger Fett und Kohlenhydrate …

Menschen, die unter dieser Erkrankung leiden, werden in unserer von Schönheitsidealen geprägten Welt oft diskriminiert. Fettleibige Personen werden mit Vorurteilen konfrontiert wie Faulheit und Trägheit. Adipositas kann aber somatische oder psychische Ursachen haben und ist oft nicht allein auf mangelnde Zurückhaltung beim Essen zurückzuführen. MedizinerInnen unterscheiden zwischen „normaler“ und psychisch bedingter Adipositas. Nur im zweiten Fall spricht man von Essucht (Preiß & Wilser/Abas-Stuttgart.de, 2012).

WIESO HABE ICH HUNGER?

Wir kennen es alle: Wenn der Hunger ruft, müssen wir essen. Aber wieso? Die Antwort liegt in den Hormonen
. Wenn wir Hunger empfinden, ist unser Blutzuckerspiegel zu niedrig. Die Bauchspeicheldrüse schüttet ein Hormon namens Glukagon aus (Abb. 1). Dieses bewirkt, dass die Speicherform des Einfachzuckers Glukose, „Glykogen“ genannt, aus der Leber und den Muskelzellen zur Energiegewinnung bereitgestellt wird. Daraufhin werden im Nebennierenmark bzw. der Nebennierenrinde die Hormone Adrenalin und Cortisol produziert, welche appetitanregend wirken. Die Folge: Wir wollen essen. Sobald wir Nahrung zu uns genommen haben, werden die Hormone Insulin aus der Bauchspeicheldrüse und Leptin aus den Fettzellen und der Magenschleimhaut produziert, welche die Umformung von Glukose in Glykogen bewirken. Als Reaktion darauf schütten die sogenannten Raphe-Kerne (Neuronen, die sich vom Mittelhirn bis ins verlängerte Mark erstrecken) ein anderes Hormon aus, das Serotonin, das unseren Appetit zügelt und als „Wohlfühlhormon“ dient: Bei Serotoninmangel können Depressionen entstehen. Isst man mehr als nötig, reicht der Glykogen-Speicher nicht mehr aus. Die Glukose muss in Fett umgewandelt werden, welches sich entweder als LDL an Gewebe bindet, oder in Form von HDL wieder ausgeschieden wird.

–> ABB. 1!!!

KÖRPERLICHE URSACHEN VON ADIPOSITAS

Adipositas kann sehr unterschiedliche Ursachen haben. Im 20. und 21. Jahrhundert wurde und wird viel dazu geforscht, was zur Folge hat, dass es eine ganze Reihe verschiedener Theorien gibt: Die Weltgesundheitsorganisation hat Stress zur größten Gesundheitsgefahr des 21. Jahrhunderts ernannt. Ein Grund ist, dass Stress zu einer Adrenalinausschüttung führt, welche die Freisetzung des Hormons Cortisol bewirkt, das den Appetit anregt. Außerdem greifen viele stressgeplagte Menschen schnell zu ungesunden Snacks, anstatt richtige Mahlzeiten einzunehmen (Ruess & Mai, 2007). „Eine wichtige Rolle bei der Entwicklung einer Adipositas könnte eine gestörte Appetitregulation spielen“, erklärte Professor Dr. Anette Grüters-Kieslich von der Berliner Charité bei einem Workshop. Forschungen weisen auf eine Mutation des Gens für die Leptinbildung hin.Wenn kein Leptin gebildet werden kann, führt das zu einem ständigen Hungergefühl.

Das gleiche kann übrigens auch ein Hirntumor bewirken, der Leptinrezeptoren im Gehirn zerstört (Heyn, 2013). Im Feld der Appetitforschung sind auch der Infektiologe Martin Blaser und seine Arbeitsgruppe unterwegs. Ihre Ergebnisse von Versuchen mit Mäusen lassen darauf schließen, dass eine übermäßige Einnahme von Antibiotika die Darmflora so verändern kann, dass es indirekt zu Übergewicht kommt. Dieser Effekt ist auch in der Landwirtschaft bekannt: So verabreichten US-Bauern schon in den 1940er Jahren ihren Tieren Antibiotika, um sie für den Verkauf zu mästen (Spiegel online, 2013). Möglicherweise werden Bakterien, die für die Entstehung des Sättigungsgefühls zuständig sind (bei Nahrungsaufnahme schütten sie ein Hormon aus), stark dezimiert. Der „Set Point Theorie“ zufolge ist unser „natürliches“ Gewicht genetisch gegeben und bewirkt, dass unser Körper mit Hilfe von Änderungen des Stoffwechsels gegen eine Gewichtsänderung ankämpft. Ein Versuch von Sims und Kollegen aus dem Jahr 1968 zeigte, dass die Versuchsteilnehmer 6000 bis 10000 kcal/Tag zu sich nehmen mussten, um ihr Gewicht um 15-25% zu steigern. Jedoch wurden weit mehr kcal benötigt, als rechnerisch zum Fettaufbau nötig gewesen wären. Dies beweist, dass der Körper gegen eine Gewichtsänderung ankämpft, was für die „Set Point Theorie“ sprechen könnte. Dennoch ist diese Theorie ist sehr umstritten (Wikipedia, 2013).

Die von dem Adipositasspezialisten Achim Peters in den Jahren 1998-2004 aufgestellte „Selfish Brain Theorie“ besagt, dass sich unser Gehirn, welches 50% der im Körper verfügbaren Glukose benötigt, immer zuerst versorgt, bevor andere Organe bedient werden. In einer Stresssituation, etwa bei emotionalem Stress, bei sportlichen Aktivitäten oder bei beruflichem Stress, gerät unser Gehirn sozusagen in Panik, dass es nicht genug Energie bekommen könnte, da andere Organe, zum Beispiel das Herz, in dieser Situation viel Glukose benötigen. Daraufhin lässt das Gehirn den Körper glauben, er müsse mehr Nahrung zu sich nehmen – obwohl eigentlich genug vorhanden wäre. Der Überschuss an Nahrung staut sich im Körper und muss abgelagert werden, was letztlich zu Adipositas führen kann (Wikipedia, 2013). Viele Nachtarbeiter müssen mit ihrem Gewicht kämpfen. Dr. Babic vom Landeskrankenhaus Leoben erklärt dies so: „Vereinfacht könnte man sagen, dass das Hormon Somatotropin im Schlaf die Fette zerlegt, um Energie bereitzustellen. Wenn Menschen aber zu wenig oder „zur falschen Zeit“ schlafen, geraten die innere Uhr und das Hormonsystem derart durcheinander, dass dies Adipositas begünstigen könnte.“

Abb. 3: … mehr Vitamine und Ballaststoffe: gesunde Ernährung.

PSYCHOGENE ADIPOSITAS

Die psychogene Adipositas, die eigentliche Esssucht, ist eine Essstörung, eine psychische Krankheit, die zu Fettleibigkeit führt. Die Betroffenen greifen zum Essen, um psychische Belastungen zu verdrängen. So kann Essen zur Sucht und damit zum Problem werden. Im neuen amerikanischen Psychiatriehandbuch DSM-5 ist erstmals von Verhaltenssüchten die Rede, da bestritten wird, dass Nahrung an sich süchtig machen kann (Hucklenbroich, 2013). Doch noch immer gibt es in der Öffentlichkeit und zwischen WissenschaftlerInnen Diskussionen darüber, denn es gibt sowohl Belege dafür als auch dagegen. Beim Essen wird das Hormon Serotonin gebildet, doch wenn man zu oft zu viel isst, nimmt die Sensibilität dafür ab. In der Folge braucht der Körper immer mehr Nahrung, um entsprechend mehr von dem Hormon zu produzieren. Doch wegen des gestörten Verhaltens der Betroffenen und weil ein einziges Nahrungsmittel an sich nicht süchtig machen kann, ordnen WissenschaftlerInnen diese Erkrankung den Verhaltenssüchten zu. Ob nun somatisch oder psychisch bedingt, die Übergänge sind fließend. Auf jeden Fall ist Adipositas eine ernstzunehmende Erkrankung.

HILFE

Wer glaubt, unter Adipositas zu leiden, sollte unbedingt zu einem Arzt gehen und sich medizinisch untersuchen lassen. Ist die Adipositas somatisch oder psychisch bedingt? Wenn das einmal geklärt ist, kann eine (Psycho-)Therapie oder eine medikamentöse oder chirurgische Behandlung zur Gewichtsreduktion verordnet werden, falls die Ursachen therapierbar sind. Auch die Möglichkeit einer Adipositasberatung ist gegeben, sowohl im Internet als auch persönlich. Als seelische Begleitung, keinesfalls aber als alleinige Therapie können Selbsthilfegruppen dienen, etwa der „Verein Adipositas Selbsthilfegruppen Österreich“.

Abbildungen: Autorin

Doping

14/09/2014Young Science2014-1Biologie, Doping, Epo, Medizin, SportKommentare deaktiviert

Sie scheinen unschlagbar zu sein, erbringen Weltklasseleistungen und werden zu Idolen. SpitzensportlerInnen, aber auch FreizeitsportlerInnen gelingt es immer wieder, ihre eigenen Leistungen zu verbessern. Doch nicht immer liegt das am Training und an ihrem Willen. Im ständigen Wunsch nach Leistungssteigerung werden aus SportlerInnen oft DopingsünderInnen.

Abb. 1: Machen Tabletten wirklich stark?

Bereits bei den olympischen Spielen der Antike verwendeten manche Teilnehmer Substanzen, die im Ruf standen, die Leistung zu erhöhen. Löwenherzen, Stierhoden sowie Pilzextrakte waren damals „Hilfsmittel“, um Kraft und Frische zu gewinnen. Die werden heutzutage zwar nicht mehr verwendet, dafür aber gut bekannte Substanzen wie Anabolika, Peptidhormone und Rauschmittel. Wie zum Beispiel EPO, die neben Anabolika bekannteste Doping-Substanz schlechthin (Schober & Holdhaus 2009). EPO (Erythroprotein) – das Peptidhormon, das nach Schätzung des italienischen Anti-Doping-Experten Alessandro Donati bis zu 500 000 Athleten weltweit verwenden, kontrolliert die Differenzierung der blutbildenden Stammzellen des Knochenmarks und bewirkt und beschleunigt vor allem die Neubildung von roten Blutkörperchen. Eine größere Anzahl roter Blutkörperchen bedeutet eine bessere Sauerstoffaufnahme. Wird die Muskulatur besser mit Sauerstoff versorgt, steigt die Leistung. Aus diesem Grund wird EPO als DIE Doping-Substanz schlechthin wahrgenommen.

EPO hat allerdings auch eine große Bedeutung in der Medizin. So profitieren vor allem Patienten von EPO, die eine Dialyse aufgrund ihrer nicht funktionierenden Nieren brauchen. Bei Patienten mit einer Störung der Erythroproteinproduktion und bei Tumorpatienten wird EPO zur Behandlung von Blutarmut eingesetzt. Wochen vor einer Operation wird Patienten Blut abgenommen und konserviert. Dieses wird bei auftretenden Blutverlusten und Komplikationen verabreicht, die durch Blutunverträglichkeit, Verunreinigungen sowie Infektionen auftreten. Für eine schnellere Neubildung von Blutkörperchen werden Erythroproteingaben verabreicht. Doch bei einer zu hohen Menge an EPO kann es zu Nebenwirkungen kommen, beispielsweise Blutverdickung und in der Folge Thrombose und Embolien. Das wiederum kann einen Herzinfarkt, Schlaganfall oder einen Verschluss der Lungenarterien nach sich ziehen.

Oftpassiert es, dass durch die erhöhte Viskosität des Blutes die Herzfrequenz in der Nacht auf bis zu unter 25 Schläge pro Minute fällt. SportlerInnen müssen sich deshalb manchmal auch während der Nacht bewegen – „Nachtaktiv-Wandern“. So stellt man sich einen Wecker in der Nacht, steht auf, läuft einige Runden und geht danach wieder schlafen. Die erhöhte Blutviskosität entsteht dadurch, dass ein hoher EPO-Anteil im Blut durch den Anstieg der Anzahl an roten Blutkörperchen zur Verdickung des Blutes führt (Schober & Holdhaus 2009; Raschka, Nowacki, Zichner, May 2010).

Solche Medikamente haben also nicht nur Vorteile. Neben den riskanten Nebenwirkungen ist Doping ein grober Verstoß gegen die Fairness. Viele SportlerInnen versuchen mit harten Trainingseinheiten, Spitzenleistungen zu erbringen und werden allzu oft von DopingsünderInnen besiegt. Wachstumshormone, Kortison, EPO – all diese verbotenen Substanzen haben auch dem ehemaligen Telekom-Radprofi Andreas Klier bei zahlreichen Siegen in seiner Karriere geholfen. Jetzt gestand er, diese eingenommen zu haben und nun werden ihm zahlreiche Erfolge aberkannt (SID 2013). Auf Grund solcher Fälle wurden Anti-Doping Agenturen gegründet, unter anderem 1999 die -„WADA“ (World Anti-Doping Agency). Von der NADA Austria (Nationale Anti Doping Agentur) werden jährlich circa 1500 Kontrollen durchgeführt, hauptsächlich in der Vorbereitungs- bzw. Vorwettkampfphase.

Abb. 2: Die drei verschiedenen Testpools, die von der NADA Austria unterschieden werden.

Abhängig von der Leistungsklasse werden SportlerInnen in sogenannte „Testpools“ unterteilt (Schober & Holdhaus 2009; Abb. 2). Tyson Gay, der dreifache Osaka-Weltmeister und noch immer einer der schnellsten Sprinter weltweit, wurde im Mai 2013 bei Trainingskontrollen auf Doping positiv getestet. In seiner Urinprobe wurde durch das Doping-Nachweisverfahren IRMS (Isotope-ratio mass spectrometry) ein nicht körpereigenes Testosteron gefunden. Nach dem Welt-Anti-Doping-Code wird das mit einer eijährigen Sperre geahndet (DPA 2013).

Doping wirkt und hat für einzelne SportlerInnen zunächst scheinbar Vorteile, bringt aber eben viele Nachteile mit sich
. Langzeitfolgen von Doping werden im Sport, vor allem im Kraftsport, oft unterschätzt. So bekommt man von anabolen Substanzen durch die Beeinflussung der Talgdrüsen der Haut Akne. Durch die Einwirkung auf die Fetteiweiße im Blutplasma steigt das Risiko von Arteriosklerose bis hin zum Herzinfarkt. „Normalerweise senkt Sport die ungesunden Blutfette. Unter Anabolikaanwendung aber tritt der gegenteilige Effekt ein. Die Konzentration der HDL-Fetteiweiße (Eiweiße mit hoher Dichte) im Blut wird erniedrigt, während sich die LDL-Fetteiweiße (Eiweiße mit niedriger Dichte) erhöhen und das Arteriosklerose-Risiko steigt“, erklärt der Doping-Experte und Sportmediziner Prof. Dr. Wilhelm Schänzer. Auch irreversible Leberschäden und Leberkrebs können Folgen der Verwendung von Anabolika sein. Mit erhöhtem Risiko von Impotenz, Unfruchtbarkeit, Brustwachstum mit Krebsgefahr, Virilisierungen (Vermännlichung) bei Frauen sowie Nieren- und anderen Organschäden muss ebenso gerechnet werden. Doping ist Betrug – und Betrug hat im Sport nichts verloren (Riedel 2011, Schober & Holdhaus 2009).

Abb. 3: Doping ist ungesund.

WAS IST DOPING?

„Das Phänomen, das Sportlern kurzfristig Flügel verleiht“ oder ein „Verstoß gegen Ethik, Moral und Ehrlichkeit?“. „Maßnahmen, die die Leistungsfähigkeit verbessern können und die die Gesundheit des Sportlers gefährden könnten“, so wird Doping oft erklärt. Der 2003 von der WADA herausgegebene World Anti-Doping Code bestimmt in den Artikeln 1 und 2, wann von Doping gesprochen wird:

ARTIKEL 1: DEFINITION
Doping wird definiert als das Auftreten von einem oder mehreren Verstößen gegen die Anti-Doping-Bestimmungen, die in den Artikeln 2.1 – 2.8 dargelegt sind.

ARTIKEL 2: ANTI-DOPING-BESTIMMUNGEN
2.1 Das Vorhandensein eines verbotenen Wirkstoffes, seiner Metaboliten oder Marker in der Probe eines Sportlers.
2.2 Die Anwendung oder der Versuch einer Anwendung eines verbotenen Wirkstoffes oder einer verbotenen Methode seitens des Sportlers. (Zu den verbotenen Methoden gehören die Manipulation von Dopingproben sowie das Blutdoping und die künstliche Erhöhung des Sauerstofftransfers. Auch gentechnische Verfahren werden heute schon in Betracht gezogen.)
2.3 Die Weigerung oder das Unterlassen ohne zwingenden Grund, sich einer Probennahme zu unterziehen, die gemäß den gültigen Anti-Doping-Bestimmungen zulässig ist.
2.4 Verstoß gegen anwendbare Vorschriften über die Verfügbarkeit des Sportlers für Trainingskontrollen (Kontrollen außerhalb des Wettkampfes), einschließlich der Pflicht zur Angabe von Informationen zum Aufenthaltsort und zur Erreichbarkeit und zu versäumten Kontrollen.
2.5 Unzulässige Einflussnahme oder versuchte unzulässige Einflussnahme auf einen Teil des Dopingkontrollverfahrens.
2.6 Besitz verbotener Wirkstoffe und verbotener Methoden.
2.7 Das Inverkehrbringen oder das versuchte Inverkehrbringen von verbotenen Wirkstoffen oder verbotenen Methoden.
2.8 Die Verabreichung oder versuchte Verabreichung von Substanzen oder Methoden. (Schober & Holdhaus 2009; Raschka,
Nowacki, Zichner, May 2011)

Abbildungen:

Abb. 1, 3: viaframe

Abb. 2: Autorin

Alzheimer

12/09/2014Young Science2014-1Alter, Alzheimer, Biologie, Krankheit, MedizinKommentare deaktiviert

Alzheimer bekommt in unserer Gesellschaft immer mehr Bedeutung. Auch Autoren widmen ihre Bücher diesem Thema, beispielsweise Arno Geiger mit seinem Werk „Der alte König in seinem Exil“. Darin beschreibt er das Leben mit seinem an Alzheimer erkrankten Vater und schildert den Verlauf dieser Krankheit und dessen Charakterveränderungen (Geiger 2012).

Abb. 1.: Wenn nichts mehr vertraut erscheint: Alzheimer

Laut einer eigenen Befragung, die im Mai 2013 an 35 SchülerInnen des Sacré Coeur Gymnasiums Graz aus der 6. und 10. Jahrgangsstufe durchgeführt wurde, sind viele Familien davon betroffen Doch wie entwickelt sich diese Krankheit, wie verläuft sie? Kann man Alzheimer heilen? Die beiden Grafiken (Abb. 2, 3) zeigen, dass Alzheimer in mehr als einem Viertel der Familien der befragten Jugendlichen vorkommt. Meistens tritt diese Krankheit bei Personen zwischen 80 und 90 Jahren auf. Es gibt jedoch einige Fälle, in denen die Betroffenen erst 70 Jahre alt sind. Von den SchülerInnen der 6. Jahrgangsstufe wissen weniger, ob jemand aus ihrer Familie von dieser Krankheit betroffen ist. Vielleicht haben sie aber von dieser Krankheit noch nicht so viel gehört. Hingegen hatten sich SchülerInnen der 10. Jahrgangsstufe mit diesem Thema in der Schule schon auseinandergesetzt und konnten daher besser beurteilen, ob jemand in ihrer Familie davon betroffen ist.

Abb. 2: Umfrage zu Alzheimer in der Familie unter SchülerInnen der 6. Jahrgangsstufe

Alzheimer wird in vier verschiedene Stadien eingeteilt, welche sich in der Art und Intensität der Beschwerden unterscheiden. In der Vorstufe, dem Minimal Cognitive Impairment (MCI), liegt eine leichte kognitive Störung vor. Davon spricht man, wenn die Einschränkung des Gedächtnisses stärker ausgeprägt ist als bei einer normalen Altersvergesslichkeit. Diese Störungen können von anderen Menschen wahrgenommen und in Tests bestätigt werden. In der Magnetresonanztomographie erkennt man eine leichte Abnahme der Hirnsubstanz. Das MCI führt noch nicht zu Beeinträchtigungen im Alltag. Jedoch wird man ein bis zwei Jahre danach an Demenz erkranken, da sich die Krankheit weiterentwickelt und immer schlimmer wird. Eine Therapie mit Medikamenten wird aber zu diesem Zeitpunkt meist nicht empfohlen, da die Beeinträchtigungen noch nicht so verheerend, die Nebenwirkungen der Medikamente jedoch sehr stark sind (Demel u.a., 2012).

Wenn sich der Zustand der an Alzheimer erkrankten Person verschlechtert, kommt sie in das erste Stadium. In dieser Phase ist das Kurzzeitgedächtnis geschädigt. Die Betroffenen vergessen ihren Namen, machen bereits Erledigtes noch einmal, wiederholen sich und fragen die gleichen Dinge. Es fällt ihnen schwer, die richtigen Worte zu finden. Die gesprochenen Sätze werden länger, im Gespräch verlieren sie oft den Faden aufgrund von mangelnder Konzentration. Auch Orientierungsschwierigkeiten treten auf, und das Angeben von Uhrzeit und Datum fällt ihnen sehr schwer. Sie ziehen oft falsche Schlüsse aus einer Situation und reagieren dann unangemessen. Geld und Erinnerungsstücke verlieren für sie an Bedeutung. Sie bemerken den Zustand sehr wohl, aber reagieren darauf mit Angst, Beschämung und Wut (Demel u.a., 2012).

Abb. 3: Umfrage zu Alzheimer in der Familie unter SchülerInnen der 10. Jahrgangsstufe

Dann kommt das zweite Stadium, in dem die an Alzheimer Erkrankten verstärkt Unterstützung durch andere Personen benötigen. Die Ausübung ihres Berufes ist unmöglich, und es folgen vermehrt Einschränkungen im Alltag. Sie vergessen selbst die Namen gut bekannter Personen. Körperpflege, Ankleiden und Nahrungsaufnahme werden zu Hürden. Die örtliche und zeitliche Orientierung verschwinden, so finden sie sich nicht einmal in ihrer eigenen Wohnung zurecht. Sie vermischen die Gegenwart mit der Vergangenheit. Der Tag-Nacht-Rhythmus geht verloren. Sinneseindrücke werden falsch interpretiert, deshalb kommt es auch zu Halluzinationen. Der schwindende Geschmackssinn führt zum Appetitverlust. Zarte Berührungen können schon als schmerzhaft empfunden werden. Weitere Anzeichen können Teilnahms- und Rastlosigkeit sein. Häufig treten auch Stimmungswechsel ein (Demel u.a., 2012).

Im drittem und letzten Stadium sind die Patienten völlig auf fremde Hilfe und Pflege angewiesen. Ihr Wortschatz ist stark eingeschränkt, eine Kontaktaufnahme schwer möglich, dennoch reagieren sie positiv auf Stimmen oder Berührungen. Es kommt zu Ausfällen der Körperkontrolle, deshalb wird das Gehen und Stehen unmöglich. Die Kontrolle über Blase und Darm geht verloren sowie die Fähigkeit zu schlucken. All diese Anzeichen machen die PatientInnen bettlägerig und anfällig für Infektionen (Demel u.a., 2012).

Für die Familie und Freunde ist die Betreuung an Alzheimer Erkrankter eine große Herausforderung und viel Arbeit, denn sie müssen immer für diese Personen da sein. Für Hobbies gibt es wenig Zeit, der ganze Alltag wird beeinflusst. Wenn die Versorgung innerhalb der Familie nicht mehr zu schaffen ist, kann zusätzliche Hilfe von außen in Anspruch genommen werden, z.B. von der Heimhilfe oder der Caritas, die übrigens jedes Jahr einen Welt-Alzheimertag veranstaltet.

Derzeit sind noch keine wirksamen Behandlungen für diese Krankheit bekannt. Alzheimererkrankungen sind aber eine der größten medizinischen-, gesundheits- und sozialpolitischen Herausforderungen der nächsten Jahre und Jahrzehnte. Aktuell geht man von 91.000 ÖsterreicherInnen mit Demenz aus. 2050 soll diese Zahl auf bis zu 234.000 Betroffenen steigen. Daher suchen weltweit viele Forschungsgruppen nach Wirkstoffen und Behandlungsmethoden (Österreichische Alzheimergesellschaft). So haben WissenschaftlerInnen an der Medizinischen Universität Graz herausgefunden, wie man Medikamente gegen Alzheimer besser aufnehmen kann und welche molekularen Mechanismen es gibt, die helfen könnten, Alzheimer zu bekämpfen. Auch die Österreichische Alzheimer Gesellschaft (ÖAG) hat ein Projekt gestartet namens Prodem Austria. Diese Organisation will eine Biobank für Demenzerkrankungen aufbauen, um Informationen über genetische Mutationen und Risikofaktoren der Demenzkranken zu sammeln und damit eine Grundlage für neue Behandlungsansätze zu bekommen. So besteht die Hoffnung, dass ein Medikament gefunden wird, welches Alzheimer bekämpft (Österreichische Alzheimergesellschaft).

Hintergrund
Alzheimer ist eine Erkrankung des Gehirns, bei der Fähigkeiten des Merkens verloren gehen, bis dahin, dass diese Menschen (>70 Jahre) pflegebedürftig werden. 1906 hat der Neuropathologe und Psychiater Alois Alzheimer zum ersten Mal die Symptome dieser Krankheit erforscht. Dabei beginnen Gehirnzellen aus einem ungeklärten Grund abzusterben. Diese Bruchstücke können dann nicht richtig abgebaut werden und bilden mit anderen Eiweißstoffen Ablagerungen im Gehirn (Alzheimer-Fibrillen). Es kommt dabei zu einem Schrumpfen der Hirnmasse sowie zu einer Verringerung der Konzentration und der Anzahl der Nervenbindungen. Sozusagen sterben Nervenzellen ab, welche nicht mehr nachproduziert werden können. Oft wird diese Krankheit durch das Down-Syndrom, chronischen Stress oder Diabetes mellitus hervorgerufen oder wenn man in der Vergangenheit eine Schilddrüsenerkrankung hatte bzw. an Depressionen erkrankt ist. Es gibt aber viele Ursachen, die nicht mit einer Krankheit zu tun haben müssen (Wikipedia; Demel u.a., 2012).

Abbildungen:

Abb. 1: https://netzakrobat.files.wordpress.com/2012/12/fragezeichen-maennchen-line.png

Abb 2, 3: Autorin

An enligthening experience

16/12/2013Young Science2013-1blood, Blut, Chemie, chemistry, chemoluminescence, ChemolumineszenzKommentare deaktiviert

Have you ever heard about lophine? It works similar to luminol, the substance widely used in TV series such as C.S.I. to detect blood stains.

Both are chemiluminescent organic compounds which can emit mysterious light as you might know from glow sticks. We (Fig. 1) had the unique chance to have a very close look at lophine (while the synthesis of luminol is more difficult and dangerous).

Fig. 1: The chemiluminescence group

Everything started thanks to the collaboration of our chemistry teacher Elisabetta Gaita with the Università del Piemonte Orientale Avogadro of Alessandria. Our aim was to synthesize lophine, which chemists call 2,4,5-triphenylimidazole. Wearing the classic white coats and protective goggles we enthusiastically started work under the supervision of the scientists Katia Sparnacci and Guido Panzarasa. The first step was the synthesis of benzil by oxidation of benzoin with nitric acid (HNO₃). This reaction needs heat and produces red-brown fumes of NO₂ (Figs. 2,3) until a bright yellow solid is obtained when the liquid product has cooled down. This product is not very pure, so it must be dissolved in ethanol until a clear liquid is formed, that has to be recrystallized by putting it in ice. During our work we had to use a Buchner funnel to separate the solid component from the liquid.

Fig. 2: Colourful fumes of NO₂

Fig. 3: Benzoin reacts with HNO₃ to benzil

The second step was the synthesis of lophine by condensation of benzil with benzaldehyde (Fig. 4), which we accomplished by heating a solution of benzil and benzaldehyde in glacial acetic acid. The product was obtained as a cream-white solid upon addition of aqueous ammonia, recovered by vacuum filtration and air-dried.

Fig. 4: Synthesis of lophine by condensation of benzil with benzaldehyde

We were very excited when we tested our own lophine. We dissolved it in ethanol and went into a darkroom. To observe the chemiliuminescence, a basic solution of hydrogen peroxide (NaOH+H₂O₂) was added to the ethanolic solution of lophine followed by a diluted solution of sodium hypochloride commercial bleach): A yellow-green light was emitted by the mixture which was visible in the dark (Fig. 5). This experience was so impressive that a follow-up project was set up by our teacher and by professor Nadia Semino from the Marconi Institute of Tortona. Now it was our turn to teach our fellow students all about chemiluminescence and make them produce such glowing stuff themselves.

Fig. 5: Chemiluminescent emission from an ethanolic solution of lophine in presence of hydrogen peroxide and bleach

The results were presented at the European Science on Stage Festival 2013 in Slubice (Poland) and you can also fi nd an interactive poster at www.sobrero.it/liceo/clil.htm

NOTE: WHEN DEALING WITH CHEMICALS YOU MUST OBSERVE UTMOST CAUTION TO NOT HARM YOURSELF, OTHERS, OR THE ENVIRONMENT. THE EXPERIMENT DESCRIBED HERE MUST BE CONDUCTED UNDER SUPERVISION OF TEACHERS!

Der Wissens°Raum

19/09/2013Young Science2013-1Außerschulische Lernorte, Experimente, Science Center, VersucheKommentare deaktiviert

Da staunten wir Jugendlichen nicht schlecht, als wir von einem jungen Mann eingeladen wurden: „Willst Du einen Computer zerstören?“ Gemeinsam zerlegten wir einen Rechner in seine Einzelteile und verfolgten mit großer Neugier die fachkundigen Erklärungen zu jedem Bauteil (Abbildung 1).

Abb. 1: Cool – Den PC in seine Einzelteile zerlegen!

Das alles fand im Juli im Wissens°raum statt, einem Projekt des Vereins ScienceCenter-Netzwerk, das Raum gibt, sich wissenschaftlichen Themen zu widmen, die einen schon immer interessiert haben, und wo man neue Dinge ausprobieren kann. Diese kleinen “ScienceCenter“ ermöglichen Kindern, Jugendlichen und Erwachsenen, spielerisch faszinierende Experimente zu beobachten und durchzuführen (Abb
. 2). Dazu gehört zum Beispiel: Seifenblasen in verschiedenen Formen herzustellen oder an Mikroskopen Materialien zu erforschen, die man selbst mitbringen kann. Jeder kann den Wissens°raum nutzen, es gibt keine Altersbeschränkung, und der Eintritt ist frei. Nachdem er in Wien schon in der Ottakringerstraße und am Volkertplatz war, ist der nächste vom 3. Oktober bis 30. November 2013 im 15. Bezirk zu erleben in der Schwendergasse 30. Geöffnet ist er an 3 Tagen die Woche, an Donnerstagen von 14.00 bis 18.00 Uhr und an Freitagen und Samstagen von 10.00 bis 18.00 Uhr.

Abb. 2: Auch Spielen gehört zur Wissenschaft!

AUFTAKT MIT WISSENSCHAFT ALS SHOW

Schon zur Eröffnung des Wissens°raums am Volkertplatz im Juni kamen sehr viele Neugierige: Kinder und deren Eltern aber auch viele ältere Menschen. Besonders die Science Show von Derek Fish war sehr aufregend. Bei einigen Musikexperimenten spielten BesucherInnen mit und hatten viel Freude zu sehen, wie man mit Strohhalmen musizieren kann. Wer hätte gedacht, dass die Halme einen höheren Ton erzeugen, wenn man sie abschneidet? Die ZuhörerInnen waren fasziniert. Da kommt die Frage auf: Warum ist das so? Dafür ist der Wissens°raum da – man stößt auf Fragen und findet Antworten, hauptsächlich zu Wissenschaft im Alltag oder zu Natur und Technik.

MEIN ERWEITERTES ZIMMER
Beim Aufbau dieses Wissens°raums half ich begeistert mit. Bereits die Raumgestaltung des seit Jahren leerstehenden Geschäftslokals war aufregend. Mit anderen Jugendlichen aus dem benachbarten Jugendzentrum wurden wir eingeladen, die Innenwände mit Graffiti zu dekorieren. Dabei war zu beachten, dass der Wissens°raum später den Rahmen bildet, um selbst wissenschaftlichen Fragen nachgehen zu können. Als alles fertig war, musste ich unbedingt die Angebote selber ausprobieren. Wenn ich etwas wissen wollte, konnte ich die Explainer (Betreuende) ansprechen, die mir mit Fragen halfen, selbst Antworten zu finden.

WISSEN MACHT SPAß!
Im Wissens°raum war immer sehr viel los, denn eine Menge Kinder probierten dort diverse Experimente aus. Wer hätte gedacht, dass man so viel Spaß daran haben kann, auf einem Gerät einen Teilchenbeschleuniger zu steuern und dabei herauszufinden, warum es bei voller Leistung weniger auf die Geschwindigkeit als auf die Energie ankommt? Oder mit einem Auflichtmikroskop die eigene Haut, das Material der Tasche oder der eigenen Hose zu untersuchen? Es zeigte sich, dass besonders bei den Jüngeren der Wissens°raum mit seinen Angeboten Interesse an der Wissenschaft wecken kann. Ein sehr lustiges Experiment ist MakeyMakey: Eine Computertastatur wird durch einen Alltagsgegenstand ersetzt wie Gurken oder Bananen, der über Drähte an eine Stromquelle angeschlossen wird. Auf der neuen „Tastatur“ kann man Spiele spielen oder Töne erzeugen (Abbildung 3).

Abb. 3: Mit MakeyMakey kann eine Tastatur ganz anders aussehen.

Sehr interessant ist auch die Station „Wabenzellen“. Hier ist zu sehen, wie ein Gemisch aus Öl und Aluminiumpulver erhitzt wird und sich ein Zellenmuster bildet. Wenn man mit einem Stäbchen das Muster zerstört, bildet es sich wieder neu (Abbildung 4).

Abb. 4: Strömungsbewegungen entdecken

Durch dieses Experiment begriff ich, was Konvektion ist: Wärme führt zu einer aufsteigenden Strömung. Das nächste Mal, wenn ich Wasser koche, werde ich sicher daran denken, dass Temperaturunterschiede zu Strömungsbewegungen führen.

Abbildungen:

Abb. 1: Verein ScienceCenter-Netzwerk/ Barbara Streicher
Abb. 2: Verein ScienceCenter-Netzwerk/ Barbara Streicher
Abb. 3: Verein ScienceCenter-Netzwerk/ Edina Kuhinja
Abb. 4: Verein ScienceCenter-Netzwerk/ Petra B. Preinfalk

Weiterführender Link: http://www.science-center-net.at/index.php?id=621

Come on and play with me!

18/09/2013Young Science2013-1Chemie, chemistry, schleim, slimeKommentare deaktiviert

It´s January 20th, “Tag der offenen Tür”. The chemistry room of the school is fi lled with excited children. There are long queues in front of the desks. But what is the source of this excitement? Why is chemistry the most interesting subject this day? It´s Slime!

You don´t know what slime is? Continue reading and fi nd out more about one of the most entertaining and amusing experiments. Slime is a toy, which entered the market in 1976. It was produced by a big American company and is a viscous product, which can be dyed with food colorings. But when it first entered the market its color was bilious green.

The first steps for the invention started in the 1920´s when Hermann Staudinger, who also got the Nobel Prize for his discoveries in macromolecular chemistry, began to work on polymer science (polymers are molecules consisting of many small molecules). At fi rst people thought that polymers consisted of cyclic compounds, but Staudinger believed that they were made of chain-like molecules. In 1928 the scientists Kurt Heinrich Meyer and Hermann Franz Mark promoted his idea and in the 1930´s Staudinger´s hypothesis was widely accepted.

During the 1980s, various slime types entered the market. They consisted of polyvinyl alcohol, guar gums, or even fortified milk. Polyvinyl alcohol is produced industrially and harmless. The price is about 3.78 to 9.18 Euro per kg. Guar flour is also called guaran and is a polysaccharide extracted from the guar bean. The price is between 3.92 and 5.58 Euro per kg. Guar fl our is used as stabilizer, thickening agent for food and cosmetics and bonding agent in hair gel and shower gel.

DIFFERENT PROPERTIES OF POLYVINYL AND GUAR SLIME

At school we wanted to check, how the properties of slime differ, when the amounts of the various ingredients and the temperatures are changed. That´s what slimes made either from polyvinyl alcohol or guaran normally look like: Figure 1 shows polyvinyl alcohol slime. It bounces when thrown onto the desk, and the components are well-linked. It is elastic and glibbery, but it is still possible to form a ball. When leaving the ball on the desk for some time it spreads out. After heating (Fig. 2) the slime to 40°C it did not change at all. But after freezing white stains appeared and it was possible to tear the slime (Fig. 3).When the slime gets warmer again, the stains disappear and the whole lump looks as before.

Fig. 1: PVOH = polyvinyl alcohol slime

Fig. 2: Heating slime

Fig. 3: Frozen PVOH slime

Guar slime behaves a bit differently: If you pull the material slowly, it stretches and if you do it really carefully you can form a thin film. The slime doesn´t bounce when thrown onto the desk. If you tilt the container, where the slime is in, a bit upward, it will fall out and if you hit the slime with something, there will be no splashing.

The heated guar slime was stickier, while the one that was put in the refrigerator became smaller and darker. However, the properties did not change: The slime could still be stretched to a thin film (Figs. 4, 5). Then we tried making two other slimes, one with 50 % less PVOH and one with 50 % less guar flour: The PVOH slime deliquesced when pouring it onto the desk (Fig. 6). It was sticky and it was not possible to arrange it into a form because it behaved like liquid. When we tried to make slime with half the usual amount of guar flour the product started to fall apart after some time (Fig. 7). We also tried using 50 % less Borax with both slime types: This also didn’t work well, as can be seen in figure 8 because the materials didn’t link well. It was too little borax. Only half of the used substances formed the usual slime. The other half remained liquid. After leaving the two slimes uncovered for a week they had changed a lot: The PVOH slime was dry, hard and transparent and the guar slime was almost liquid and similar to hair gel.

Fig. 4: Heated guar slime

Fig. 5: Frozen guar slime

Fig. 6: Slime made with 50% less PVOH

Fig. 7: Slime made with 50% less guar powder

Fig. 8: PVOH slime made with 50% less borax

HOW DOES IT WORK?

When slime is produced, linear polymer molecules become cross-linked. The important thing is the borax, which is a bonding agent. It consists of sodium borate (Na₂B₄O₇*10H₂O) which dissolves in water to form B(OH)₃, also known as boric acid-borate. This boric acid-borate accepts OH^– from the water molecules, which is called hydrolyzation (Fig. 9). Depending on the pH, the equilibrium is shifted to the left or right side. The borax reacts with the polyvinyl alcohol and the result is a three-dimensional structure (see Fig. 10).

B(OH)₃ + 2H₂O B(OH)₄^– + H₃O⁺ pH= 9.2

Fig
. 9: Chemical structure of boric acid and tetrahydroxyborate

Fig. 10: Reaction of PVOH with borax to produce slime and water

NOTE: WHEN DEALING WITH CHEMICALS YOU MUST OBSERVE UTMOST CAUTION TO NOT HARM YOURSELF, OTHERS, OR THE ENVIRONMENT. TAKE CARE THAT LITTLE CHILDREN DO NOT TRY TO EAT THE SLIME – AND WASH YOUR HANDS THOROUGHLY AFTER MAKING AND USING IT!

HOW TO MAKE A SLIME

Ingredients
1 g o f guar flour
10 ml of borax solution
80 ml of distilled water
Food colour, if you want a dyed slime

Materials
Balance
Beaker and a plastic cup
Graduated cylinder for measuring
Syringe (for small volumes)
Dropping pipette and a spoon

Procedure
At first fill 80 ml cold water into a beaker and put 1g guar flour into it while stirring. Stir it until there are no lumps left and let the flour soak. Then add 10 ml of borax solution (it can be bought in the internet or from the chemist´s), dye and stir it. Wait for a few minutes, until the slime starts to fall off of the wall of its container. Put it in the fridge, it can easily go mouldy!

VOCABULARY
balance: Waage
beaker: Becherglas
bilious: giftig
to deliquesce: zerfließen
to dissolve: auflösen
fortified milk: angereicherte Milch
lump: Klumpen
queue: Schlange
to soak: quellen
source: Quelle
to spread out: ausbreiten
syringe: Spritze
to tear: reißen
to tilt: kippen
viscous: zähflüssig

Münzraub im Museum: Pollen überführen den Täter!

15/09/2013Young Science2013-1Biologie, Botanik, Forensik, Pollen, WienKommentare deaktiviert

Über die Aussagekraft forensischer Palynologie.

Abb. 1: Fichtenpollen

Jeder Ort hat ein einzigartiges Pollenprofil, d. h. eine bestimmte Zusammensetzung von verschiedenen Pollentypen. Pollen wird von Wind, Wasser oder Tieren auf den weiblichen Teil der Blüte übertragen, um die sexuelle Fortpflanzung zu ermöglichen. Da in der Regel sehr viel Pollen produziert wird, aber nur wenige zum weiblichen Fortpflanzungsorgan gelangen, wird überschüssiger Pollen in näherer oder weiterer Entfernung von der Pflanze abgelagert. Pollen ist deshalb so aussagekräftig, weil er überall ist, mikroskopisch klein, sehr widerstandfähig und sehr genau zu bestimmen ist. Im Projekt PALY-KiP3 konstruierten Wissenschaftlerinnen der Universität Wien für eine Klasse des Akademischen Gymnasiums Wien einen Fall, der mithilfe der forensischen Palynologie zu lösen war. Darunter versteht man die Analyse von Pollenproben, um Verbrechen aufzuklären. Durch den Vergleich der Pollenzusammensetzung von Tatort und Proben von der Kleidung Verdächtiger kann festgestellt werden, ob eine bestimmte Person am Tatort war. Im konkreten Fall ging es um den Diebstahl einer wertvollen Münze.

Der Fall
Am 7. Januar 2013 entdeckte eine Schülerin des Akademischen Gymnasiums Wien eine Münze vor dem Aquarium im Biologiesaal der Schule. Später stellte sich heraus, dass die Münze aus einer wertvollen Sammlung des Kunsthistorischen Museums (KHM) stammte. Die Polizei konnte über Videoaufnahmen im KHM Größe und Statur einer verdächtigen Person herausfi nden. Aufgrund der Weihnachtsferien war zwischen Tatzeitpunkt und Fundzeitpunkt nur ein geschlossener Personenkreis im Akademischen Gymnasium und so kamen drei Verdächtige in Betracht. Um zu überprüfen, wer der drei Verdächtigen die Münze vor dem Aquarium versteckt oder verloren hatte, wandte sich die Polizei an ein palynologisches Labor. Die Polizei sicherte vier Proben: Jeweils eine von der Kleidung der drei Verdächtigen und eine Staubprobe vom Tatort. Pollenkörner bleiben nahezu überall – so auch an Kleidung – haften und sind für das menschliche Auge unsichtbar, daher sind diese Spuren kaum zu vermeiden oder zu verwischen. Die Proben wurden im Labor aufbereitet. Dazu wurde die Kleidung der Verdächtigen gewaschen und die im Waschwasser enthaltenen Pollen durch mehrmaliges Zentrifugieren konzentriert. Dann konnte mikroskopiert werden. Beim Mikroskopieren wurden die Proben genau untersucht und jedes gefundene Pollenkorn bestimmt und gezählt. Die Abbildungen 1 bis 5 zeigen einige der häufigsten Pollenarten in den untersuchten Proben, so wie sie unter dem Mikroskop aussehen. Typ und Anzahl der Pollenkörner trugen wir in einem Protokoll mit Strichlisten ein. Das Vorgehen musste sehr genau am Computer dokumentiert werden. Nach zwei Tagen intensiver Pollenanalyse hatten wir 300 Pollen pro Probe gefunden, was als statistisch aussagekräftiger Wert gilt. Die einzelnen Protokolle wurden zu Gruppenprotokollen zusammengefasst und die Werte in Exceltabellen eingetragen.

Abb. 2: Eichenpollen

019_x60_4_PO265_22012013_SU_Ambrosia_u_Urticaceae

Abb. 3: Ambrosia-Pollen

Abb.: 4: Brennesselpollen

Abb. 5: Kiefernpollen

Außerdem wurden Diagramme, so genannte Pollenprofile, zur besseren Veranschaulichung erstellt. Nachdem alle Diagramme und Tabellen fertig gestellt und ausgedruckt waren, konnten die Proben verglichen und erste Vermutungen angestellt werden. Schnell wurde klar, dass das Pollenprofil des ersten Verdächtigen dem des Tatortes sehr ähnelte (Abb. 6 und 7). Man kann daher anhand der sehr ähnlichen Pollentypen und der Anzahl, mit der sie in den Proben vertreten sind, mit großer Wahrscheinlichkeit sagen, dass sich der Verdächtige 1 am Tatort aufhielt. Im Diagramm ist sehr gut das Verhältnis der gelb dargestellten Ambrosia-Pollenkörner erkennbar. Außerdem kann man das in den Diagrammen sehr unähnlich scheinende Verhältnis von den blau eingefärbten Pinaceaen (deutscher Name: Kieferngewächse) außer Acht lassen, da man Pinaceaen als so genannte „Allerweltspollen“ bezeichnen kann. Das heißt, dass sie nahezu überall vertreten sind und aus diesem Grund wertlos für die Auswertung sind. Im Vergleich dazu weisen die Pollenprofile der anderen zwei Verdächtigen (Abb. 8 und 9) keine solchen Ähnlichkeiten zur Tatortprobe auf.

Abb. 6: Pollenprofil vom Tatort.

Abb.7: Pollenprofil vom Verdächtigen 1 (Farbcodes: s. Abb. 6)

Abb.8: Pollenprofil vom Verdächtigen 1 (Farbcodes: s. Abb. 6)

Abb.9: Pollenprofil vom Verdächtigen 1 (Farbcodes: s. Abb
. 6)

Hier ist ein Ausschnitt des Gutachtens für die Polizei:
„Die beiden Proben (Verdächtiger 1 und Tatort) haben sehr ähnliche Pollenspektren, sodass wahrscheinlich auf einen gemeinsamen Ursprung der in den Proben enthaltenen Pollen geschlossen werden kann. In beiden Proben wurden nahezu gleich große Anteile an Ambrosia gefunden, und die restlichen Anteile wie Eiche (Quercus sp.), Birke (Betula sp.), Ginkgo und Süßgräser (Poaceae) stimmen weitgehend überein. Die Anteile an Brennesselgewächsen (Urticaceae) und Kletterwein (Parthenocissus sp.) sind auch sehr ähnlich. Der einzige gravierende Unterschied ist in der Anzahl der Kieferngewächse (Pinaceae) zu finden, welche aber keinen großen forensischen Wert haben. Die Proben 2 und 3 zeigen ein gänzlich anderes Pollenspektrum, z.B. enthält Probe 2 nahezu keine Ambrosia, und bei Probe 3 ist der Anteil an Birke (Betula sp.) gegenüber allen anderen Proben deutlich erhöht.“

Durch unsere Arbeit bekamen wir einen faszinierenden Einblick in die kriminologische Arbeit – und lernten, dass auch Pflanzen Täter überführen können. Die forensische Palynologie ist eine wirksame und zuverlässige Methode, allerdings muss sie sehr präzise und sorgfältig durchgeführt werden.

Danksagung
Wir danken herzlich dem gesamten Team des Projekt PALY-KiP3 für diese lehrreiche Projektwoche, insbesondere Frau Prof. Martina Weber und Frau Silvia Ulrich vom Departement für Strukturelle und Funktionelle Botanik der Universität Wien, Frau Christine Heidinger vom Österreichischen Kompetenzzentrum für Didaktik der Biologie der Universität Wien, und Frau Prof. Heidemarie Amon vom Akademischen Gymnasium Wien. Das Projekt wurde finanziert vom Förderprogramm „Sparkling Science“ des österreichischen Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung.

Fotos:
Beispiele von Pollenkörnern unter dem Mikroskop (Silvia Ulrich und Martina Weber, Universität Wien).

Düngemittel

10/09/2013Young Science2013-1Boden, Chemie, Dünger, Ernährung, Nährstoffe, SchadstoffeKommentare deaktiviert

Mit wachsender Weltbevölkerung werden die Landwirtschaft und die zukünftige Ernährung der Weltbevölkerung immer wichtiger. So soll es bis 2050 über 9 Milliarden Menschen geben (FAO Statistical Yearbook 2013), während heutzutage etwa 38 Prozent des Grund und Bodens landwirtschaftlich genutzt werden (Abbildung 1).

LINKS Abbildung 1: Verteilung der Landfläche (FAO 2009), RECHTS Abbildung 2: Einsatz von Nährstoffen pro Hektar Ackerland (FAO 2009)

Besonders wirkungsvoll könnten Dünger dort sein, wo momentan kaum gedüngt wird, etwa in Afrika (Abbildung 2). Um in Zukunft jeden Menschen ausreichend mit Nahrung versorgen zu können, spielen Düngemittel eine unabkömmliche Rolle. Doch schon seit der Mensch begonnen hat, sesshaft zu leben und Landwirtschaft zu betreiben, wird versucht, mit Hilfe von Düngemitteln den Ertrag zu steigern. Während ursprünglich mit organischen Stoffen wie Mist und Kompost gedüngt wurde, werden heutzutage vielerorts zusätzlich anorganische Stoffe genutzt, ohne die Landwirtschaft im heutigen Sinn nicht möglich wäre. Doch nicht nur in der Landwirtschaft wird den Pflanzen „nachgeholfen“, auch im privaten Bereich, sei es für Zierpflanzen oder den Hausgarten, finden Dünger ihren Anwendungsbereich.

Was Pflanzen zum Leben brauchen

Insgesamt benötigt jede Pflanze 16 Nährstoffe zum Überleben. Die Pflanze verwendet diese Nährstoffe zum Beispiel für ihre Früchte. Werden diese Früchte dann abgeerntet, muss gedüngt werden, um der Pflanze und dem Boden wieder Nährstoffe zur Verfügung zu stellen. Diese Nährstoffe lassen sich in Hauptnährstoffe welche die Pflanze in größeren Mengen benötigt, und Spurennährstoffe, jene Stoffe, die die Pflanze nur in geringen Mengen benötigt, unterteilen. Die drei mineralischen Nährstoffe,die Pflanzen in den größten Mengen benötigen, sind Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K). Enthält ein Dünger alle drei dieser Nährstoffe spricht man, nach den Kürzeln im Periodensystem, von NPK-Düngern
. Oft reichen diese NPK-Dünger aus, um einen merklichen Unterschied zu nicht gedüngten Pflanzen zu erzielen. Anders als bei Stickstoff, Phosphor und Kalium werden Spurennährstoffe nur selten gedüngt. Meist reichen die Spurennährstoffe, die sich bereits im Boden befinden, für eine gute Pflanzenversorgung aus.

Die Rolle des Bodens

Der Boden ist das Nährmedium, in dem die Pflanze wächst. Ein idealer Boden ist Grundvoraussetzung für ein gutes Pflanzenwachstum. Ein wichtiger Aspekt im Boden ist der pH-Wert, denn vom pH-Wert hängt ab, wie gut die einzelnen Nährstoffe durch die Pflanze aufgenommen werden können. Der pH-Wert, bei dem die Nährstoffe in höchstem Maße der Pflanze zur Verfügung stehen, unterscheidet sich von Nährstoff zu Nährstoff. Außerdem ist der pH-Wert auch ein Faktor für die Bodenstruktur. Ein hoher pH-Wert verbessert die Bodenstruktur, indem sich mehr Krümel bilden. Eine verbesserte Krümelbildung hat zur Folge, dass der Boden besser durchlüftet ist. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Bodenlebewesen und auf das allgemeine Pflanzenwachstum aus, kann aber die Verfügbarkeit einiger Spurennährstoffe verschlechtern.

Ein optimaler pH-Wert stellt also immer einen Kompromiss von Bodenstruktur und Nährstoffverfügbarkeit dar. Doch was passiert, wenn man den Boden düngt? Nur ein geringer Teil des Düngers und somit der Nährstoffe liegt nach dem Düngen in der sogenannten Bodenlösung vor. Aus der Bodenlösung bezieht die Pflanze den Großteil der benötigten Nährstoffe.

Die Nährstoffe, die sich nicht in der Bodenlösung befinden, lagern sich meist an den Bodenkolloiden an. Verarmt die Bodenlösung an Nährstoffen, lösen sich die Nährstoffe wieder von den Bodenkolloiden ab, kommen in die Bodenlösung und werden dadurch pflanzenverfügbar. Die Aufnahme durch die Pflanze erfolgt entweder passiv (Diffusion und Massenfluss) oder aktiv. Bei der aktiven Aufnahme benötigt die Pflanze Energie, mit deren Hilfe sie Nährstoffionen aufnimmt.

Im Gegenzug gibt die Pflanze andere Ionen ab. Wird die Pflanze optimal mit allen Nährstoffen versorgt, kann sie ihr volles Potential zeigen und so zum Beispiel den bestmöglichen Ertrag bringen. Soweit die Theorie, doch wachsen gedüngte Pflanzen wirklich besser als ungedüngte? Der durchgeführte Pflanzversuch mit Gurkenpflanzen hat gezeigt, dass es tatsächlich signifikante Unterschiede gibt.

Pflanzversuch mit Gurkenpflanzen

Um die Wirkung des Düngers auf Pflanzen zu veranschaulichen, wurden vom Autor Gurkenpflanzen in Töpfe gesetzt und unterschiedlich gedüngt (Abbildung 3). Die Auswirkungen der Erde, in der die Gurkenpflanzen wuchsen, wurden ebenfalls berücksichtigt. So wurde einerseits Kultursubstrat verwendet und andererseits Torferde, die einen unpassenderen pH-Wert aufwies und außerdem weniger Nährstoffe enthielt. Die verwendeten Erden wurden nicht selber analysiert, sondern die Werte herangezogen, die sich auf den Verpackungen fanden. Die Gurkenpflanzen wurden während der Versuchsdauer von 66 Tagen unter- schiedlich gedüngt: mit niedriger (0,2%) bzw. hoher (0,4%) Konzentration von mineralischem Dünger im Gießwasser, mit Langzeitdünger, ohne Dünger (Kontrolle).

Abbildung 3: Planung und Verlauf des Pflanzversuchs

Die Düngung über Gießwasser und die mit Langzeitdünger liefern zwar die gleiche Menge an Nährstoffen. Allerdings erfolgt die Düngung über Gießwasser kontinuierlich, während der Langzeitdünger einmalig vor der Aussaat in die Erde eingearbeitet wird. Langzeitdünger ist deshalb anwendungs- freundlicher aber teurer. Um sortenbedingte Unterschiede auszuschließen, wurde der Versuch mit zwei unterschiedlichen Gurkensorten durchgeführt. Die Ergebnisse waren eindeutig: Nach Ende der Versuchsdauer konnten bei den gedüngten Gurkenpflanzen bereits Früchte geerntet werden, während die ungedüngten lediglich eine Wuchshöhe von 20 cm erreichten. Bei Pflanzen, die Früchte trugen, war die Fruchtanzahl sehr ähnlich.

Unterschiede zwischen der Düngung mit mineralischen Düngersalzen unterschiedlicher Konzentration durch das Gießwasser und Langzeitdünger konnten nicht festgestellt werden. Entscheidend war aber, in welcher Erde die Pflanzen wuchsen. Im Allgemeinen wuchsen die Pflanzen im Kultursubstrat besser als in der Torferde (Abbildung 4). Das bestätigt, dass nicht nur die Düngung selbst, sondern auch die Art des Bodens wichtig für ein optimales Pflanzenwachstum ist.

Die Schattenseiten des Düngers

Doch Dünger hat nicht nur positive Auswirkungen. Ein negativer Aspekt von Düngern ist die Wasserbelastung. Vor allem Nitrat stellt ein großes Problem dar. Weil Nitrat eine negative Ladung aufweist, wird es nicht an den ebenfalls negativ geladenen Bodenkolloiden angelagert und unterliegt somit einer starken Auswaschung. Dieses nitratbelastete Wasser kann in Gewässern zu Eutrophierung führen. Durch das Überangebot an Nährstoffen vermehren sich einige Organismen (z.B. Algen) in zu starkem Ausmaß, wodurch der Sauerstoffverbrauch steigt. Die Erhöhung der Biomasse und der geringe Sauerstoffgehalt stören das ökologische Gleichgewicht und führen im Extremfall zum Absterben von Fischen. Befindet sich zu viel Nitrat im Trinkwasser, kann dies auch zu gesundheitlichen Problemen führen, indem das Nitrat zu Nitrit umgewandelt wird.

„Ein idealer Boden ist Grundvoraussetzung für ein gutes Pflanzenwachstum. Denn der Boden ist das Nährmedium, in dem die Pflanze wächst.“

Nitrit reagiert mit Hämoglobin, wodurch dieses keinen Sauerstoff mehr transportieren kann. Dieser Verlust des Sauerstofftransportes kann vor allem bei Säuglingen zu Atemnot führen. Desweiteren kann Nitrit im Körper zu krebserregenden Stoffen umgewandelt werden. Ebenfalls problematisch für Tiere und Menschen ist eine zu starke Schwermetallbelastung der Pflanzen. Enthält ein Dünger zu viele Schwermetalle, können sich diese im Boden anlagern und dann vermehrt von der Pflanze aufgenommen werden. Die Schwermetallbelastung der Dünger lassen sich auf die verwendeten Ausgangssalze (z.B. Apatite bei der Phosphorgewinnung) zurückführen. Dünger gilt als chemisch unreines Produkt und ist deshalb je nach verwendeten Salzen unterschiedlich belastet. Aufgrund dieser Problematik wurden verschiedene Dünger auf ihre Schwermetallgehalte hin untersucht.

Schwermetallgehalte in Düngern und Pflanzen

Die Gehalte von Schwermetallen in Düngemitteln sind gesetzlich geregelt, bestimmte Grenzwerte dürfen nicht überschritten werden. Ob diese Grenzwerte wirklich eingehalten wurden, wurde anhand von 16 unterschiedlichen landwirtschaftlichen Düngern am Institut für Chemie/ Bereich Anorganische Chemie vom Autor analysiert. Gemessen wurden die Gehalte an Arsen, Cadmium, Chrom, Nickel, Blei und Vanadium (siehe Tabelle 1). Die Messungen haben gezeigt, dass keiner der Dünger die gesetzlichen Grenzwerte überschritten hat, somit also, bei bedachtem Einsatz, keine Gefahr von diesen Düngern ausgehen sollte. Desweiteren wurde auch der Schwermetallgehalt der Gurken aus dem Pflanzversuch analysiert.

Die Schwermetallgehalte der Gurkenfrüchte wurden mit den PTWI-Werten der WHO und des Umweltbundesamtes verglichen (siehe Abbildung 5). Wie sich gezeigt hat, geht keine Gefahr von den selbst gezogenen Gurkenfrüchten aus und diese konnten ohne Bedenken verzehrt werden. Die Analyse der Gurkenblätter und Früchte lässt aber eine deutliche Tendenz erkennen: Der Boden ist ein entscheidender Faktor für die Schwermetallgehalte der Gurkenpflanzen. Jene Gurkenpflanzen, die in Kultursubstrat wuchsen, wiesen niedrigere Arsen-, Chrom-, Vanadium- und Thalliumgehalte auf. Zurückzuführen ist dieses Ergebnis vermutlich auf den nicht optimalen pH-Wert der Torferde.

Durch den zu niedrigen pH-Wert werden die Schwermetalle mobiler, wodurch sie in erhöhtem Maße von der Pflanze aufgenommen werden. Abschließend lässt sich bemerken, dass weder die Gehalte von Schwermetallen in den Düngern selbst noch in den Gurkenpflanzen und deren Früchten Anlass zur Sorge geben. Jedoch darf auf keinen Fall das eigentliche Ziel aus den Augen verloren werden, nämlich die effektive Steigerung des Ertrags mit besonderer Rücksichtnahme auf die Natur und unsere Gesundheit.

Der Artikel beruht auf Arbeiten und Recherchen, für die der Autor mit dem 1.Platz des Dr. Hans Riegel Fachpreises für steirische Fachbereichsarbeiten in Chemie ausgezeichnet wurde.